NL1024486C2

NL1024486C2 - Werkwijze en koppelingselement voor het koppelen van onderdelen alsmede inrichting omvattende zo een koppelingselement.

Info

Publication number: NL1024486C2
Application number: NL1024486A
Authority: NL
Inventors: Marcel Hoekman; Rene Gerrit Heideman; Albert Prak
Original assignee: Lionix B V
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-04-11

Description

Werkwijze en koppelingselement voor het koppelen van onderdelen alsmede inrichting omvattende zo een koppelingselement

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en een koppelingselement voor het 5 koppelen van ten minste twee onderdelen, zoals optische of fluïdische microcircuits, waarvan er ten minste één ten minste één micro-element omvat De uitvinding betreft voorts een inrichting welke een dergelijk koppelingselement omvat Met ‘micro’ wordt in het kader van de onderhavige uitvinding bedoeld met een kenmerkende afmeting in de orde van éénduizendste tot duizend micrometer, in het 10 bijzonder ééntiende tot honderd micrometer, ten minste gedeeltelijk vervaardigd met technieken bekend uit het vakgebied ‘MST/microsysteemtechnologie’, ook wel ‘microstructurele technologie’ genoemd, en/of met fijnmechanische technieken. De uitvinding is met name toepasbaar bij ‘MATAS-achtige’ systemen.

15 De laatste jaren laten een snelle ontwikkeling zien van microfluïdische systemen welke met name worden ingezet bij (biochemische analyses en syntheses. Dergelijke systemen omvatten, naast bijvoorbeeld sensoren voor het meten van chemische of fysische parameters, ook fluïdische (hydraulische of pneumatische) microcomponenten zoals pompen, kleppen, capillairen en kanalen.

20 Voor de vervaardiging van dergelijke systemen is in het betreffende vakgebied door de onderhavige aanvrager ‘MATAS’ geïntroduceerd, een technologisch platform zoals onder andere beschreven in “MATAS: A modular assembly technology for hybrid pTAS”, Jeroen M. Wissink, MST news 1/00,2000, pp. 20-22.

Een volgens het MATAS-concept vervaardigd systeem omvat in het algemeen een 25 moederboard met een of meer (geprinte) elektrische circuits aan de ene zijde en een of meer (geëtste) fluïdische microcircuits aan de andere zjjde. In het moederboard zijn uitsparingen aangebracht voor het plaatsen van modules die bijvoorbeeld sensoren of fluïdische microcomponenten of microcircuits kunnen bevatten, of een aansluiting vormen naar de omgeving, bijvoorbeeld middels een aanvoer- of afvoerslangetje. De elektrische koppeling 30 tussen module en moederboard wordt gerealiseerd middels solderen, waarbij de soldeerverbinding tevens een mechanische verbinding tussen module en moederboard vormt. De fluïdische koppelingen tussen modules en moederboard omvatten meestal 1024486 2 I afdichtingen in de vorm van O-ringen, of bijvooibeeld in situ aangebrachte I fotolithografisch vormgegeven pakkingen.

I Het MATAS-concept kan ook uitgebreid worden met optische functies. Zo kunnen modules I en moederboard ook optische microcomponenten of microcircuits omvatten. Daarbij dienen I 5 dan tevens optische koppelingen tot stand gebracht te worden tussen modules en I moederboard en veelal ook met de omgeving, bijvoorbeeld middels een standaard glasfiber.

I Het realiseren van dergelijke koppelingen blijkt in de praktijk lastig en omslachtig.

I De hele stand der techniek genomen, is er een schier oneindig aantal typen (mechanische, I 10 optische, fluïdische, elektrische etc.) koppelingen tussen componenten, modules en/of I systemen, bekend. Deze koppelingen zijn veelal losneembaar zodat bijvoorbeeld een I module kan worden vervangen, of het systeem in delen kan worden uiteengenomen, I bijvoorbeeld voor onderhoud of reparatie.

I Beperken we ons tot modulair opgebouwde MST- en ‘MATAS-achtige’-systemen, dan I

I IS vinden we tussen modules, moederboard, (elektrische, optische, fluïdische) circuits, en/of I

I de omgeving, losneembare koppelingen als: I

I - elektrische en/of mechanische soldeerverbindingen (MATAS); I

I - elektrische, fluïdische of optische ‘koude’ klem/drukkoppelingen (WO 01/41916; I

WO 00/43748; US 6,194,900; US 6,489,774; US 5,846,396);

20 - elektrische koppelingen middels verende pinnen (EP 1 157 967); en I

- fluïdische koppelingen met pakkingen of O-ringen (WO 02/30560; WO 02/072264; I

WO 01/90612;WO 02/060810; US 5,640,995).

Verder vinden we binnen het MST-veld nog vele andere koppelingen, bijvoorbeeld I

US 5,761,350. In WO 09/060810 vinden we een constructie met ‘pillars’ die, naast hun I

25 uitlijn- en afstandsfiinctie, ook als elektrische en/of fluïdische koppelingen kunnen dienen. I

Er is echter geen geschikt universeel systeem gepubliceerd voor het losneembaar koppelen I

van (bijvoorbeeld optische, fluïdische of elektrische) microcomponenten of microcircuits I

omvattende onderdelen, zoals modules en moederboard volgens het (uitgebreide) I

30 ‘MATAS’-concept. I

Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van zo een systeem, in het bijzonder I

toepasbaar bij ‘MATAS-achtige’-systemen. I

1024486' 3

De uitvinding verschaft daartoe een systeem voor het koppelen van ten minste twee onderdelen, zoals optische of fluïdische microcircuits, waarvan er ten minste één ten minste één micro-element omvat, waarbij: - een eerste onderdeel deel uitmaakt van een moederboard, en een tweede onderdeel deel 5 uitmaakt van een met het moederboard te verbinden module, bijvoorbeeld zoals gangbaar binnen het (uitgebreide) MATAS-concept; - de koppeling middels een aizonderlijk in hoofdzaak stijf koppelingselement tot stand wordt gebracht; en - het koppelingselement wordt voorzien van ten minste één doorgang voor het 10 uitwisselen van signalen tussen de onderdelen.

De torn ‘signaal’ wordt in het kader van de onderhavige uitvinding in zijn ruimste fysische betekenis gebruikt, en betreft bijvoorbeeld een al dan niet gecodeerde optische, fluïdische (hydraulische of pneumatische) of elektrische stroom. De term ‘stijf betekent hier en in het navolgende steeds ‘in hoofdzaak niet-elastisch, niet-flexibel’ (in tegenstelling tot 15 bijvoorbeeld een in hoofdzaak elastisch afdichtingselement zoals een O-ring of pakking).

Een dergelijk systeem is universeel toepasbaar voor het tot stand brengen van (optische, fluïdische, elektrische, magnetische etc.) koppelingen tussen modules en moederboard, in het bijzonder in een ‘MATAS-achtig’ systeem. De koppelingselementen kunnen apart vervaardigd worden, los van de module en moederboard, hetgeen ontwerp- en 20 productietechnische voordelen met zich meebrengt.

De koppeling kan tot stand worden gebracht door de onderdelen en het koppelingselement ‘koud’ op elkaar aan te brengen. Ook kan het koppelingselement eerst op de juiste plaats aan het moederboard worden bevestigd, bijvoorbeeld door lijmen of elektrostatisch bonden, 25 waarna de koppeling met de module plaatsvindt; of omgekeerd eerst aan de module waarna de koppeling met het moederboard tot stand wordt gebracht Dit kan leiden tot een eenvoudiger productieproces.

Bij voorkeur wordt ten minste een deel van het oppervlak van het moederboard en/of de module geprofileerd voor vonnsluitende samenwerking met ten minste een deel van het 30 oppervlak van het koppelingselement. Door die vonnsluitende samenwerking zullen het moederboard en/of de module, en daarmee de betreffende onderdelen en het koppelingselement bij de montage vanzelf ten opzichte van elkaar uitgelijnd worden.

1024486

I 4 I

I De koppeling kan optisch van aard zijn, waarbij in de doorgang bijvoorbeeld een deel van I

I een golfgeleidende glasfiber is aangebracht; of fluïdisch van aard zijn, waarbij de doorgang I

I bijvoorbeeld geschikt is als stromingskanaal voor een medium; of elektrisch van aard zijn, I

I met in de doorgang bijvoorbeeld een elektrische geleider of geleidend materiaal; of I

I 5 magnetisch van aard zijn, met in de doorgang bijvoorbeeld een zacht-magnetisch materiaal. I

I hi principe zijn ook combinaties van meerdere types koppelingen in een rakel I

I koppelingselement mogelijk. I

I Het systeem kan tevens tra minste één in hoofdzaak elastisch afdichtingselement omvatten, I

I 10 bijvoorbeeld een pakking of era O-ring, voor het verwezenlijkra van era mediumdichte I

I afdichting tussen era onderdeel en het koppelingselement Bij voorkeur bestaat het I

I afdichtingselement tra minste gedeeltelijk uit era (biochemisch inat materiaal, zoals I

I duron, teflon, kalrez of viton. Dit is wenselijk ra veelal vereist bij era (bio)chemische of I

I medische toepassing. I

I 15 I

I Bij voorkeur zijn de afinetingen van het koppelingselement zodanig gekozen dat de I

I onderdelen op een gewenste onderlinge afstand worden gehouden. Zo doet het I

koppelingselement, naast zijn koppelende functie en eventueel uitlijnende functie, tevens I

dienst als afstandshouder. I

20 I

De uitvinding wordt in het navolgende toegelicht aan de hand van een niet-beperkend I

uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding. Daartoe tonen: I

• figuur la een schematische doorsnede van een inrichting volgens de uitvinding; ra I

- figuur lb, lc en ld corresponderende schematische bovenaanzichten op respectievelijk I

25 een enkelvoudig optisch, era meervoudig fluïdisch, ra een meervoudig optisch I

koppelingselement volgens de uitvinding. I

Figuur 1 toont een inrichting (1) omvattende een moederboard (11) welk moederboard (11) I

is opgebouwd uit era PCB (printed circuit board) (111) met aan de ene zijde een elektrisch I

30 circuit (112) en aan de andere zijde een optisch circuit (113) en era fluïdisch circuit (114). I

Voorts omvat de inrichting (1) era module (12) welke module (12) is opgebouwd uit een I

silicium lichaam (121) met era elektrisch circuit (122), een optisch circuit (123) ra era I

fluïdisch circuit (124). De module (12) past in een daartoe voorziene uitsparing (115) in het I

I 1024486_ I

5 moederboard (11) en is middels soldeerverbindingen (13) mechanisch verbonden met het moederboard (11). De soldeerverbindingen (13) vormen tevens een elektrische koppeling tussen moederboard (11) en module (12) c.q. tussen de elektrische circuits (112,122). Dit alles volgens het gangbare (uitgebreide) MATAS-concept 5

Nieuw zijn de koppelingselementen (2-4) volgens de uitvinding welke elk zijn voorzien van ten minste één doorgang (21,31,41) en passen in daartoe voorziene uitsparingen (116) in het moederboard (11) en daartoe voorziene uitsparingen (126) in de module (11). De middels de koppelingselementen (2-4) gekoppelde onderdelen c.q. circuits (113,114,123,124) 10 worden bij de montage vanzelf uitgelijnd ten opzichte van elkaar en de koppelingselementen, en tevens door de koppelingselementen (2-4) op een gewenste afstand gehouden.

Bij de optische koppelingselementen (2,4) zijn in de doorgangen (21,41) delen van een 15 glasfiber (22,42) aangebracht zodat optische signalen kunnen worden uitgewisseld tussen de betreffende optische circuits (113,123). Bij de fluïdische koppelingselementen (3) vormen de doorgangen (31) stromingskanalen (32) voor een medium, zoals een vloeistof of een gas, zodat fluïdische signalen kunnen worden uitgewisseld tussen de betreffende fluïdische circuits (114,124). Ook zou het bijvoorbeeld mogelijk zijn om elektrisch 20 geleidend materiaal of elektrische geleiders aan te brengen in de doorgangen zodat elektrische koppelingselementen (niet getoond) worden gevormd voor het koppelen van elektrische circuits (niet getoond) op moederboard en module. Denkbaar zijn ook magnetisch koppelingselementen (niet getoond) met in de doorgangen bijvoorbeeld een zacht-magnetisch materiaal.

25

De inrichting (1) is gekoppeld met de omgeving, c.q. een glasfiber (14) en een slangetje (15), middels koppelingselementen (5,6) van een opbouw gelijk aan of ten minste vergelijkbaar met de koppelingselementen (2-4) tussen moederboard (11) en module (12). Voorts omvat de inrichting (1) elastische afdichtingselementen (7) voor het realiseren van 30 een afdichting tussen de fluïdische circuits (114,124) en de fluïdische koppelingselementen (3).

1024486

I 6 I

I Voordelen van een koppelingssysteem volgens de uitvinding zijn onder andere: I

I - min of meer universeel systeem geschikt voor meerdere typen (optische, fluïdische, I

I elektrische etc.) koppelingen; I

I - afzonderlijke vervaardiging van de koppelingselementen vergroot de ontwerpvrijheid I

I 5 en kan productietechnisch grote voordelen hebben; I

I - relatief eenvoudige montage met automatische uitlijning en afstandhouding van de I

I onderdelen; I

I - losneembare koppeling zodat een module eenvoudig kan worden uitgenomen of I

I vervangen; I

I 10 robuuste koppeling; en I

I - enkel- en meervoudige koppeling mogelijk. I

I Het zal duidelijk zijn voor een in het betreffende vakgebied geschoold persoon dat de I

I uitvinding niet tot het getoonde en beschreven uitvoeringsvoorbeeld is beperkt maar dat I

I 15 binnen het kader van de uitvinding nog vele variaties en combinaties mogelijk zijn. I

1024486 I

Claims

1. Werkwijze voor het koppelen van ten minste twee onderdelen, zoals optische of 5 fluïdische microcircuits ¢113,114,123,124), waarvan er ten minste één ten minste één micro-element omvat, waarbij: - een eerste onderdeel ¢113,114) deel uitmaakt van een moederboard ¢11), en een tweede onderdeel ¢123,124) deel uitmaakt van een met het moederboard ¢11) te verbinden module ¢12), bijvoorbeeld zoals gangbaar binnen het (uitgebreide)

10 MATAS-concept; - de koppeling middels een afzonderlijk in hoofdzaak stijf koppelingselement (2-4) tot stand wordt gebracht; en - het koppelingselement (2-4) wordt voorzien van ten minste één doorgang ¢21,31,41) voor het uitwisselen van signalen tussen de onderdelen (113,114,123,124),

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het koppelingselement (2-4) eerstens wordt bevestigd aan het moederboard (11).

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het koppelingselement (2-4) eerstens wordt bevestigd aan de module (12).

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat ten minste 20 een deel (116) van het oppervlak van het moederboard (11) wordt geprofileerd voor vormsluitende samenwerking met ten minste een deel van het oppervlak van het koppelingselement (2-4).

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat ten minste een deel (126) van het oppervlak van de module (12) wordt geprofileerd voor 25 vormsluitende samenwerking met ten minste een deel van het oppervlak van het koppelingselement (2-4).

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de koppeling optisch van aard is, en in de doorgang (21,41) bijvoorbeeld een deel van een golfgeleidende glasfiber (22,42) wordt aangebracht.

7. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de koppeling fluïdisch van aard is, en de doorgang (31) bijvoorbeeld geschikt wordt gemaakt als stromingskanaal (32) voor een medium. 1024486 I I

8. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de koppeling I I elektrisch van aard is, en in de doorgang bijvoorbeeld een elektrische geleider of I I geleidend materiaal wordt aangebracht I

9. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de koppeling I I 5 magnetisch van aard is, en in de doorgang bijvoorbeeld een zacht-magnetisch materiaal I I wordt aangebracht I

10. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de I I werkwijze tevens omvat het middels ten minste één in hoofdzaak elastisch I I afdichtingselement (7), bijvoorbeeld een pakking of een O-ring, verwezenlijken van een I I 10 mediumdichte afdichting tussen een onderdeel (114,124) en het koppelingselement. I

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het afdichtingselement (7) ten I I minste gedeeltelijk wordt opgebouwd uit een (biochemisch inert materiaal, zoals I I duron, teflon, kalrez of viton. I

12. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de I I 15 afinetingen van het koppelingselement (2-4) zodanig worden gekozen dat de onderdelen I I (113,114,123,124) op een gewenste onderlinge afstand worden gehouden. I

13. Koppelingselement (2-4) voor het koppelen van ten minste twee onderdelen, zoals I I optische en flurdische microcircuits (113,114,123,124), waarvan er ten minste één ten I I 20 minste één micro-element omvat, waarbij: I I - een eerste onderdeel (113,114) deel uitmaakt van een moederboard (11), en een I I tweede onderdeel (123,124) deel uitmaakt van een met het moederboard (11) te I I verbinden module (12), bijvoorbeeld zoals gangbaar binnen het (uitgebreide) I I MATAS-concept; I I 25 het koppelingselement (2-4) in hoofdzaak stijf is; en I I - het koppelingselement (2-4) is voorzien van ten minste één doorgang (21,31,41) I I voor het uitwisselen van signalen tussen de onderdelen (113,114,123,124). I

14. Koppelingselement (2-4) volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat ten minste een I I deel van het oppervlak van het koppelingselement (2-4) geschikt is voor vormsluitende I I 30 samenwerking met ten minste een deel (116) van het daartoe geprofileerde oppervlak I I van het moederboard (11). I

15. Koppelingselement (2-4) volgens conclusie 13 of 14, met het kenmerk, dat ten minste I I een deel van het oppervlak van het koppelingselement (2-4) geschikt is voor I I 1024486 I vormsluitende samenwerking met ten minste een deel (126) van het daartoe geprofileerde oppervlak van de module (12).

16. Koppelingselement (2,4) volgens een der conclusies 13-15, met het kenmerk, dat de koppeling optisch van aard is, en in de doorgang (21,41) bijvoorbeeld een deel van een 5 golfgeleidende glasfiber (22,42) is aangebracht.

17. Koppelingselement (3) volgens een der conclusies 13-15, met het kenmerk, dat de koppeling fluïdisch van aard is, en de doorgang (31) bijvoorbeeld een stromingskanaal (32) voor een medium vormt

18. Koppelingselement volgens een der conclusies 13-15 met het kenmerk, dat de 10 koppeling elektrisch van aard is, en in de doorgang bijvoorbeeld een elektrische geleider of geleidend materiaal is aangebracht

19. Koppelingselement volgens een der conclusies 13-15, met het kenmerk, dat de koppeling magnetisch van aard is, en in de doorgang bijvoorbeeld een zacht-magnetisch materiaal is aangebracht

20. Koppelingselement volgens een da* conclusies 13-19, met het kenmerk, dat het koppelingselement tevens omvat ton minste één in hoofdzaak elastisch afdichtingselement (7), bijvoorbeeld een pakking of een O-ring, voor het verwezenlijken van een mediumdichte afdichting tussen een onderdeel (114,124) en het koppelingselement

21. Koppelingselement volgens conclusie 20, met het kenmerk, dat het afdichtingselement (7) ten minste gedeeltelijk bestaat uit een (biochemisch inert materiaal, zoals duron, teflon, kalrez of viton.

22. Koppelingselement (2-4) volgens een der conclusies 13-21, met het kenmerk, dat de afmetingen van het koppelingselement (2-4) zodanig zijn gekozen dat de onderdelen 25 (113,114,123,124) op een gewenste onderlinge afstand worden gehouden.

23. Inrichting (1) omvattende ten minste twee onderdelen, zoals optische of fluïdische microcircuits (113,114,123,124), waarvan er ten minste één ten minste één micro-element omvat, waarbij: 30. een eerste onderdeel (113,114) deel uitmaakt van een moederboard (11), en een tweede onderdeel (123,124) deel uitmaakt van een met het moederboard (11) te verbinden module (12), bijvoorbeeld zoals gangbaar binnen het (uitgebreide) MATAS-concept; 1024486 '_ I 10 I I - de inrichting (1) tevens een afzonderlijk in hoofdzaak stijf koppelingselement (2-4) I I omvat middels welk koppelingselement (2-4) een koppeling tussen de onderdelen I I (113,114,123,124) tot stand is gebracht; en I I - het koppelingselement (2-4) is voorzien van ten minste één doorgang (21,31,41) I I 5 voor het uitwisselen van signalen tussen de onderdelen (113,114,123,124). I

24. Inrichting (1) volgens conclusie 23, met het kenmerk, dat ten minste een deel van het I I oppervlak van het koppelingselement (2-4) vormslwtend samenwerkt met ten minste I I een deel (116) van het daartoe geprofileerde oppervlak van het moederboard (11). I

25. Inrichting (1) volgens conclusie 23 of 24, met het kenmerk, dat ten minste een deel I I 10 van het oppervlak van het koppelingselement (2-4) vormsluitend samenwerkt met ten I I minste een deel (126) van het daartoe geprofileerde oppervlak van de module (12). I

26. Inrichting (1) volgens een der conclusies 23-25, met het kenmerk, dat de koppeling I I optisch van aard is, en in de doorgang (21,41) bijvoorbeeld een deel van een I I golfgeleidende glasfiber (22,42) is aangébracht I I 15 27. Inrichting (1) volgens een der conclusies 23-25, met het kenmerk, dat de koppeling I I fluïdisch van aard is, en de doorgang (31) bijvoorbeeld een stromingskanaal (32) voor I I een medium vormt I

28. Inrichting (1) volgens een der conclusies 23-25, met het kenmerk, dat de koppeling I I elektrisch van aard is, en in de doorgang bijvoorbeeld een elektrische geleider of I I 20 geleidend materiaal is aangebracht I

29. Inrichting (1) volgens een der conclusies 23-25, met het kenmerk, dat de koppeling I I magnetisch van aard is, en in de doorgang bijvoorbeeld een zacht-magnetisch materiaal I I is aangébracht I

30. Inrichting (1) volgens een der conclusie 23-29, met het kenmerk, dat de inrichting (1) I I 25 tevens omvat ten minste één in hoofdzaak elastisch afdichtingselement (7), bijvoorbeeld I I een pakking of een O-iing, voor het verwezenlijken van een mediumdichte afdichting I I tussen een onderdeel (114,124) en het koppelingselement I

31. Inrichting (1) volgens conclusie 30, met het kenmerk, dat het afdichtingselement (7) I I ten minste gedeeltelijk bestaat uit een (biochemisch inert materiaal, zoals duron, teflon, I I 30 kalrez of viton. I

32. Inrichting (1) volgens een der conclusies 23-31, met het kenmerk, dat de afmetingen I I van het koppelingselement (2-4) zodanig zijn gekozen dat de onderdelen I I (113,114,123,124) op een gewenste onderlinge afstand worden gehouden. I I 1024486 I