WO2020144105A1 - Mikrofluidische vorrichtung und analysegerät für eine mikrofluidische vorrichtung - Google Patents

Mikrofluidische vorrichtung und analysegerät für eine mikrofluidische vorrichtung Download PDF

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WO2020144105A1 PCT/EP2020/050062 EP2020050062W WO2020144105A1 WO 2020144105 A1 WO2020144105 A1 WO 2020144105A1 EP 2020050062 W EP2020050062 W EP 2020050062W WO 2020144105 A1 WO2020144105 A1 WO 2020144105A1
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microfluidic device
cavity
conductor track
movement element
membrane
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Samir KADIC
Jochen Hoffmann
Christoph FAIGLE
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Robert Bosch GmbH
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    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields

Definitions

  • the invention is based on a device or a method according to the type of the independent claims.
  • a microfluidic device for example a chip laboratory cartridge, can have a fluidic network with which reagents can be processed.
  • the microfluidic device can be used for energy transfer
  • Current conductors can be arranged to form a three-dimensional
  • Ladder structure can be rolled.
  • DE 102007045946A1 describes such a conductor structure.
  • a conductor track can be arranged in a substrate of a microfluidic device which, when an external component, for example a plunger with a further conductor track, is introduced, can provide the functionality of an electrical coil for non-contact inductive energy transmission to enable.
  • the conductor track can advantageously be arranged in a space-saving manner and can be produced inexpensively.
  • the functionality of the electrical coil for inductive energy transmission is advantageous in terms of degradation-free
  • a microfluidic device is presented.
  • the device has a substrate with at least one cavity and at least one conductor track.
  • a movement element can be inserted into the cavity.
  • the conductor track is arranged on the cavity.
  • the conductor track is shaped to be one
  • the microfluidic device can be, for example, a device for a chip laboratory, also called a lab-on-a-chip system.
  • a chip laboratory can be understood to mean a microfluidic system in which the entire functionality of a macroscopic laboratory can be accommodated on a plastic substrate, for example the size of a credit card, the chip laboratory cartridge, and in which complex biological, diagnostic, chemical or physical processes can be miniaturized.
  • a liquid can be provided or transported on a chip.
  • the microfluidic device can be such a microfluidic cartridge.
  • the substrate can be formed from a polymer, for example polycarbonate or one or a thermoplastic elastomer.
  • the cavity can be a chamber of the cartridge, for example a fluid chamber for storing or processing a fluid in the cartridge. On one side of the cavity on which the
  • the conductor track can be understood to mean, for example, a winding.
  • the winding can, for example, be arranged in the form of a coil or spiral on the cavity.
  • the conductor track can be implemented as printed electronics, for example by means of screen printing of silver or carbon pastes.
  • Movement element can be, for example, a plunger of an analysis device for the microfluidic device. To provide the functionality of an electrical coil when inserting the movement element, this can
  • Movement element for example from a magnetic or
  • magnetizable material for example made of iron.
  • the functionality of an electrical coil can be understood, for example, to mean that a voltage is induced in the conductor track when a magnetic field changes, or vice versa, and a magnetic field is generated when a current flows through the conductor track.
  • the conductor track can be used to provide the
  • the conductor track can have the at least one turn before the movement element is introduced into the cavity or can be obtained by inserting the movement element.
  • the conductor track can be arranged in a spiral around an insertion area for the movement element.
  • the insertion region can have, for example, a section of one side of the cavity.
  • the conductor track can for example on one side of the
  • the cavity can be arranged, or the conductor track can surround a portion of the cavity or two side walls of the cavity, for example in a spiral.
  • This arrangement of the conductor track is advantageously space-saving.
  • the arrangement enables the functionality of the electrical coil to be easily provided by means of the conductor track when the movement element is inserted into the cavity with the conductor track.
  • the conductor track can be formed as an electrical coil according to one embodiment.
  • the conductor track can also be designed as an electrical coil, the inductive
  • the excitation coil can be, for example, another conductor track in the form of a winding around the movement element. If the moving element is inserted into the cavity, this can Movement element represent a core for the conductor track formed as an electrical coil.
  • Excitation coil is thus possible to provide inductive energy transmission through the conductor track as an electrical coil.
  • a contact-free inductive energy transfer between the microfluidic is therefore advantageous
  • the conductor track is formed as an electrical coil
  • microfluidic device have a core element which is arranged within the electrical coil in the cavity.
  • the core element can protrude beyond the electrical coil to form a
  • the core element can be a metal core, for example.
  • the core element can be shaped to protrude into the excitation coil when the movement element is inserted into the cavity.
  • the movement element can be shaped, for example, as a hollow cylinder, and can be shaped to at least partially enclose the core element in the state introduced into the cavity. This advantageously enables the functionality of the electrical coil
  • the substrate can have a shielding element arranged on the cavity.
  • the shielding element can be designed to shield an environment of the cavity from a magnetic field generated by means of the electrical coil.
  • the shielding element can be a metal shell, for example. This advantageously increases
  • Shielding element an electromagnetic compatibility with respect to other components of the microfluidic device or the analyzer for the microfluidic device.
  • the substrate can have an insert element that can be arranged in the cavity.
  • the conductor track can on the
  • Insert element can be arranged.
  • the insert element also called inlay in the following, can for example be shaped to be insertable into the substrate. It is thus advantageously possible to insert the insert element with the Insert the conductor track into a commercially available cartridge as required. This is also advantageous in terms of manufacturing costs.
  • the insert element can also have an upstream substance for processing in the device.
  • the insert element can comprise, for example, a reagent bar in which substances are stored.
  • Under the upstream substance can be used to prepare upstream substances for processing in the device.
  • a liquid reagent can be understood, such as a saline, ethanol-containing or aqueous solution, or a detergent or dry reagent, such as lyophilisate or salt.
  • the inductive energy transfer can thus advantageously be combined with a substance upstream in the microfluidic device.
  • the substrate can also comprise a membrane.
  • the membrane can be arranged on one side of the cavity on which the movement element can be inserted.
  • the membrane can be shaped to seal the cavity on at least the side in a fluid-tight manner.
  • the membrane can be elastic. When the movement element is introduced, the membrane can be deflectable along a direction of movement of the movement element. The fluid-tight sealing of the cavity advantageously enables one
  • the membrane can be formed from an elastic and electrically insulating material.
  • the membrane can be formed from a polymer, for example a thermoplastic elastomer.
  • the membrane can have a layer thickness of 25 to 500 micrometers.
  • the membrane can also be formed from a material that increases a magnetic flux density.
  • the conductor track can be arranged planar on a side of the membrane facing the cavity.
  • windings of the conductor track can extend in a common plane.
  • the conductor track can thus advantageously be arranged in a space-saving manner. If the conductor track is arranged planar on the membrane, the conductor track can for example, be embedded in the membrane. This advantageously protects the conductor track, for example against a damp environment.
  • a further layer for example a further membrane, can be applied to the side of the membrane on which the conductor track is arranged, for example by means of laser welding, in order to cover the conductor track from two sides.
  • the conductor track can be deformable to provide the functionality of the electrical coil by deflecting the membrane.
  • the conductor track can deform. If the conductor track is arranged, for example, in a planar manner on the cavity, the conductor track can be shaped in the form of an electrical coil by the deformation.
  • Movement element can deflect the membrane, whereby material can expand between or in the region of the conductor track.
  • the membrane and the conductor track can thereby be pressed in the direction of movement of the movement element, as a result of which the conductor track deforms to form the electrical coil.
  • the deformation of the coil is not permanent, but is caused by the deflection of the membrane and is by
  • the substrate can have a further conductor track according to one embodiment.
  • the further conductor track can be arranged on the membrane or on a further membrane on the cavity.
  • the further conductor track can, for example, also be planar and can be shaped when the
  • Movement element to be pressed into the conductor track The conductor track and the further conductor track can slip into one another.
  • inductive energy transmission is thus possible without contact.
  • This approach also becomes an analysis device for a microfluidic
  • the microfluidic device has a substrate with at least one cavity into which a movement element can be inserted.
  • the microfluidic device has a conductor track which is arranged on the cavity. The conductor track is shaped to a
  • the analysis device comprises a receiving area for receiving the microfluidic device and a movable platform with the
  • the platform is designed to insert the movement element into the cavity.
  • the microfluidic device can be an embodiment of the above-mentioned device.
  • the microfluidic device can be, for example, a cartridge for a chip laboratory.
  • the analysis device can, for example, be an analysis unit for the microfluidic device.
  • the movement element can be formed from an electrically conductive material or magnetizable material, for example from iron.
  • the movement element can have a diameter of five millimeters to five centimeters.
  • the movement element can be a plunger, for example, which is designed to prepare or bring about a processing of a fluid in the device by insertion into the microfluidic device.
  • the plunger can be shaped to pierce or deflect an element of the microfluidic device, for example the membrane.
  • the movement element can be an adjustment pin for adjusting or correcting a position of the microfluidic device in the receiving area or in the analysis device.
  • the movement element can be a
  • Excitation coil can be arranged as a winding around the movement element on the movement element.
  • the excitation coil can protrude into or be surrounded by the conductor track of the microfluidic device.
  • the excitation coil can also be attached to a section of the
  • Movement element can be arranged, which is not inserted into the cavity during insertion, for example on a portion of the movement element arranged in the platform.
  • the excitation coil is
  • the movement element can be shaped as a hollow cylinder.
  • the movement element can, for example, be designed to comprise a different element when it is introduced into the cavity,
  • the movement element can also be formed from an electrically insulating material, for example from a plastic.
  • Figure 1 is a schematic representation of an analysis device with a microfluidic device according to an embodiment.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a part of a microfluidic device and an analysis device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a part of a microfluidic device and an analysis device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a part of a microfluidic device and an analysis device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a part of a microfluidic device and an analysis device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of part of a microfluidic device according to an exemplary embodiment
  • 7 shows a schematic illustration of a part of a microfluidic device and an analysis device according to an exemplary embodiment
  • Fig. 8 is a schematic representation of an analysis device with a microfluidic device according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an analysis device 100 with a microfluidic device 105 according to an exemplary embodiment.
  • the analysis device 100 for the microfluidic device 105 comprises one
  • the platform is designed to introduce the movement element 120 into the microfluidic device 105.
  • the microfluidic device 105 has a substrate 125 with at least one cavity 130.
  • the movement element 120 of the analysis device 100 can be inserted into the cavity 130.
  • the microfluidic device 105 has a conductor track 135.
  • the conductor track 135 is arranged on the cavity 130.
  • the conductor track 135 is designed to provide a functionality of an electrical coil for inductive energy transmission when the movement element 120 is inserted into the cavity 130.
  • the analysis device 100 can be used as a chip laboratory analysis device for a microfluidic cartridge, such as the microfluidic device 105 shown here.
  • the substrate 125 of the microfluidic device 105 is formed from a polymer composite and the microfluidic device 105 contains a fluidic network with which reagents can be processed. If the analysis device 100 is connected to a power supply, for example a power network, electrification of the microfluidic device 105 shown here is by means of Induction possible. This enables contact-free energy transfer from the analysis device 100 to the microfluidic device 105.
  • the microfluidic device 105 has the conductor track 135. The on that
  • Cavity 130 arranged conductor track 135 has at least one winding.
  • the conductor track 135 is optionally shaped to partially enclose the cavity 130.
  • the winding of the conductor track 135 leads around the cavity 130, for example, and thus surrounds the cavity 130
  • the conductor track 135 can, for example, also be arranged planar on one side of the cavity 130, for example on a side of the cavity 130 facing the movement element 120.
  • the conductor track 135 can be formed from a metallic wire, for example from a enamelled copper wire, and has a diameter of for example 0.1 to 0.5
  • the conductor track 135 can advantageously be arranged in the microfluidic device 105 in a space-saving manner.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a part of a microfluidic device 105 and an analysis device 100 according to one
  • Embodiment As part of the analysis device 100, a section of the platform 115 with the movement element 120 is shown.
  • the section of the microfluidic device 105 shows the cavity 130 in the substrate 125 with the conductor track 135, which according to the exemplary embodiment shown here is arranged as an electrically conductive coil around the cavity 130.
  • the movement element 120 is also introduced into the cavity 130 here.
  • the conductor track 135 is arranged in a spiral around an insertion area for the movement element 120.
  • the winding of the conductor track 135 spirally surrounds the cavity 130.
  • the conductor track 135 thus has a plurality of turns. Movement element 120 points according to that shown here
  • Embodiment an excitation coil 205. If that
  • Movement element 120 with the excitation coil 205 surrounds the conductor track 135 the excitation coil 205.
  • the excitation coil 205 thus lies here as an inner coil within the conductor track 135 formed as an outer coil.
  • the conductor track 135 is thus designed as a further electrical coil.
  • the conductor track 135 is designed to enable inductive energy transmission when the movement element 120 with the excitation coil 205 is inserted into the cavity 130. A contact-free energy transfer between the analysis device 100 and the microfluidic device 105 is thus advantageously possible.
  • the conductor track 135 and the excitation coil 205 are as
  • Induction coils can be used, which slip into one another during mechanical contacting by the introduction of the movement element 120.
  • the movement element 120 is formed from an electrically conductive material, for example as an iron core, in order to amplify a magnetic field during inductive energy transmission.
  • the movement element 120 is, for example, a plunger which is designed to release reagents by introducing them into a reagent chamber of the microfluidic device 105.
  • the arrangement of the excitation coil 205 on the movement element 120 additionally or alternatively makes it possible to electrify the microfluidic device 105 by means of induction.
  • the cavity 130 can also be designed as a microfluidic chamber or as a pre-storage chamber of the microfluidic device 105.
  • the arrangement of the conductor track 135 on an already on the microfluidic is advantageous
  • Device 105 molded chamber or on a chamber that can also be used for other purposes as a cavity 130, which saves space.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a part of a microfluidic device 105 and an analysis device 100 according to one
  • Embodiment The excerpts of the microfluidic shown here Device 105 with the cavity 130 in the substrate 125 and the conductor track 135 as an electrical coil, and the analysis device 100 with the platform 115 and the movement element 120 correspond or are similar to the exemplary embodiment described with reference to FIG. 2.
  • the excitation coil 205 is arranged on another section of the movement element 120.
  • the movement element 120 has a section embedded in the platform 115, on which the excitation coil 205 is arranged. If the movement element 120 is inserted into the cavity 130, as in the exemplary embodiment shown here, the excitation coil 205 is thus arranged outside the cavity 130 and thus also outside the conductor track 135 as an electrical coil.
  • the movement element 120 is formed from the electrically conductive material, for example the iron core.
  • Excitation coil 205 is advantageously protected from degradation by repeated movement.
  • a core element is also arranged in the cavity 130 within the conductor track 135 as an electrical coil according to one exemplary embodiment.
  • the core element projects beyond the conductor track 135 in order to introduce an excitation magnetic field into the electrical coil.
  • the core element is formed from an electrically conductive material, for example as a metal core.
  • the movement element 120 is shaped as a hollow cylinder according to one embodiment. This protrudes when the movement element 120 is inserted
  • the movement element 120 can then also be made, for example, from an electrically insulating material such as plastic or with a low electrical conductivity.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a part of a microfluidic device 105 and an analysis device 100 according to one Embodiment.
  • the section of the analysis device 100 shown here comprises the platform 115 and the movement element 120 with the excitation coil 205.
  • Device 105 shows cavity 130 in substrate 125.
  • the microfluidic device 105 also comprises a membrane 405.
  • the membrane 405 is arranged on one side of the cavity 130, on which the movement element 120 can be inserted.
  • the membrane 405 is shaped to seal the cavity 130 on at least the side of the insertion area of the movement element 120 in a fluid-tight manner.
  • the cavity 130 is sealed by means of the
  • Membrane 405 can be used as a fluid chamber or storage chamber of the microfluidic device 105.
  • the membrane 405 is elastic and is designed to respond to mechanical contact with the
  • Movement element 120 to be deflectable.
  • the membrane 405 In the state of the movement element 120 which is introduced here into the cavity 130, the membrane 405 is deflected and projects with the movement element 120 into the conductor track 135 as an electrical coil. To electrify the
  • Microfluidic device 105 by means of induction, it is advantageous if the membrane 405 is formed from a material that is magnetic
  • the membrane 405 is formed from an elastic and electrically insulating material, for example from a thermoplastic elastomer.
  • the membrane 405 has a layer thickness of, for example, 25 to 500 micrometers.
  • the microfluidic device 105 has according to that shown here
  • Embodiment also a be arranged in the cavity 130
  • Insert element 410 The conductor 135 is in this case on the
  • Insert element 410 arranged.
  • the insert element 410 also called inlay, is formed from a polymer, for example from polycarbonate.
  • the insertion element 410 can advantageously be installed in the microfluidic device 105 as required. This advantageously enables one Cost-effective and simple implementation of the arrangement of the conductor track 135 in the microfluidic device 105. Also in the manufacture of the insert element 410, also called inlay, is formed from a polymer, for example from polycarbonate.
  • the insertion element 410 can advantageously be installed in the microfluidic device 105 as required. This advantageously enables one Cost-effective and simple implementation of the arrangement of the conductor track 135 in the microfluidic device 105. Also in the manufacture of the
  • microfluidic device 105 or the insertion element 410 below
  • the insert element 410 also has an upstream substance for processing in the microfluidic device 105.
  • the insert element 410 is shaped, for example, as a reagent bar, in which reagents for processing are stored or stored in the microfluidic device 105.
  • the reagent storage in the microfluidic device 105 in the chamber shown here in the form of the cavity 130 with the insert element 410 can be combined with the transmission of electricity between the microfluidic device 105 and the analysis device 100.
  • microfluidic device 105 according to one embodiment
  • Embodiment a shielding element arranged on the cavity 130.
  • the shielding element is designed to surround the cavity 130 from one created by means of the conductor track 135 as an electrical coil
  • the shielding element can be implemented, for example, as a sheet metal casing which can be arranged on at least one of the inner walls of the cavity 130.
  • the arrangement of the shielding element is advantageous with regard to the electromagnetic compatibility of other components arranged in the microfluidic device 105 or the analysis device 100.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of part of a microfluidic device 105 and an analysis device according to an exemplary embodiment.
  • the microfluidic device 105 corresponds or is similar to the microfluidic device from one of the figures described above and / or the analysis device corresponds or is similar to the analysis device from one of the figures described above.
  • a view of the substrate 125 with the cavity 130 is shown here, around which the conductor track 135 is guided in the form of the winding.
  • the cavity 130 is not designed here as a fluid chamber, but as a cavity 130 for insertion an adjustment pin for correctly positioning the microfluidic device 105 in the analysis device.
  • Movement element 120 with excitation coil 205 is shown as part of the analysis device.
  • the movement element 120 is designed here as an adjustment pin.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of part of a microfluidic device 105 according to an exemplary embodiment.
  • Device 105 corresponds or is similar to the microfluidic device from one of the figures described above. As part of the microfluidic device 105 are here the membrane 405, an insertion area 605 for the
  • Movement element and the conductor track 135 arranged spirally around the insertion region 605 are shown.
  • the insertion area 605 corresponds to at least one diameter of the movement element 120.
  • the conductor track 135 is arranged planar on a side of the membrane 405 facing the cavity.
  • the planar windings of the conductor track 135 extend in a common plane.
  • the conductor track 135 lies here in the form of a coil in one plane.
  • the conductor track 135 is applied to the membrane 405 or embedded in the membrane 405.
  • the membrane 405 can be implemented in two layers, the conductor track 135 being arranged between the two layers of the membrane 405, for example connected by laser welding, in order to cover the electronics of the conductor track 135 from both sides.
  • the elastic material of the membrane 405 has a sealing effect, as a result of which the membrane 405 with the embedded conductor track can also be used in a wet environment, for example if the cavity has the reagent bar for the microfluidic device 105.
  • the conductor track 135 can be implemented as printed electronics, for example by means of screen printing of silver or carbon pastes.
  • the planarly arranged conductor track 135 shown here can optionally be deformed to provide the functionality of the electrical coil, which is described in more detail with reference to the following FIG. 7.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of part of a microfluidic device 105 and an analysis device according to an exemplary embodiment.
  • the part of the microfluidic device 105 shown here is similar or corresponds 6, with the membrane 405 and the planar and spirally arranged conductor track 135.
  • the movement element 120 is shown as part of the analysis device 100.
  • the conductor track 135 can be deformed to provide the functionality of the electrical coil by deflecting the membrane 405.
  • the membrane 405 is deformable by mechanical contact with the movement element 120.
  • the coil-shaped winding of the conductor track 135 becomes deflected along a direction of movement of the membrane
  • the microfluidic device 105 shown here can also be referred to as a device for producing a coil.
  • the membrane 405 is deflected when the movement element, for example in the form of a plunger made of a magnetizable material, onto the insertion area for the
  • Coil turns of the conductor track 135 expand in accordance with the shape and the direction of movement of the movement element 120. In the process, the conductor track 135 deforms, so that it becomes a three-dimensional structure.
  • the deformation of the conductor track 135 is reversible with the elasticity of the membrane 405, and when the movement element 120 is pulled out, the conductor track 135 returns to the flat, planar initial state. This is advantageously space-saving.
  • a complex three-dimensional method is advantageously not required for the planar microfabrication of the conductor track 135.
  • the angle of inclination of the turn of the conductor track 135 is important when deforming to form the electrical coil, so that the conductor track 135 does not experience too great a bend.
  • the microfluidic device 105 has a further conductor track.
  • the further conductor track is arranged on the membrane 405 or on a further membrane on the cavity.
  • the Conductor path 135 and the further conductor path can be arranged such that the further conductor path is pressed into the conductor path 135 when the movement element 120 is inserted.
  • two coils lying one above the other are formed from the conductor track 135 and the further conductor track, which enables contact-free inductive energy transmission.
  • the embodiment of the membrane 405 shown here with the embedded conductor track 135 can also be used to seal the cavity in order to make the cavity usable as a fluid chamber, for example as a reagent storage chamber.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of an analysis device 100 with a microfluidic device 105 according to an exemplary embodiment.
  • the microfluidic device 105 is similar to the exemplary embodiments described with reference to the figures shown above, and comprises the substrate 125 with the cavity 130 and the spiral around the cavity 130
  • the analysis device shown here is similar or corresponds to the analysis device 100 described with reference to the previous figures with the movable platform 115 with the movement element 120.
  • the arrangement of the excitation coil 205 on the movement element 120 corresponds to the embodiment described with reference to FIG. 3, with the arrangement of the excitation coil 205 on a section of the movement element 120 embedded in the platform 115.
  • the platform 115 can be moved here in the direction of the receiving area of the microfluidic device 105.
  • the platform 115 also has, for example, a spindle 805.
  • the spindle 805 is designed to move the platform 115 and thus the movement element 120.
  • the platform 115, the movement element 120 and the microfluidic device 105 are raised until the microfluidic device 105 abuts a ceiling section of the analysis device 100 at the top, as a result of which the
  • Movement element 120 is inserted as far as possible into the cavity 130 of the microfluidic device 105, which is surrounded by the conductor track 135.
  • a consumer 810 can be operated on the microfluidic device 105 via the conductor 135 as an electrical coil by induction.
  • Device 105 optionally includes, as in the exemplary embodiment shown here, electricity-carrying networks and the consumer 810, for example for dielectrophoretic applications.
  • the energy transfer by induction, as here by means of the conductor 135 as an electrical coil and the excitation coil 205 on the movement element 120, is advantageous for a stable one

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung (105). Die mikrofluidische Vorrichtung (105) umfasst ein Substrat (125). Das Substrat (125) weist zumindest einen Hohlraum (130) auf, in den ein Bewegungselement (120) einführbar ist. Zudem umfasst die mikrofluidische Vorrichtung (105) eine Leiterbahn (135), die an dem Hohlraum (130) angeordnet ist. Die Leiterbahn (135) ist ausgeformt, um eine Funktionalität einer elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen.

Description

Beschreibung
Titel
Mikrofluidische Vorrichtung und Analysegerät für eine mikrofluidische Vorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
Eine mikrofluidische Vorrichtung, beispielsweise eine Chiplabor- Kartusche, kann ein fluidisches Netzwerk aufweisen, mit dem Reagenzien prozessiert werden können. Die mikrofluidische Vorrichtung kann zur Energieübertragung
beispielsweise zwischen der Vorrichtung und einem Analysegerät elektrische Kontakte sowie elektrizitätsführende Netze und Verbraucher aufweisen.
Zudem können an einem flexiblen und elektrisch isolierenden Substrat
Stromleiter angeordnet sein, die zum Bilden einer dreidimensionalen
Leiterstruktur gerollt werden können. Die DE 102007045946A1 beschreibt eine solche Leiterstruktur.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine mikrofluidische Vorrichtung und ein Analysegerät für eine mikrofluidische
Vorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch
angegebenen Vorrichtung möglich. Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass in einem Substrat einer mikrofluidischen Vorrichtung eine Leiterbahn angeordnet sein kann, die beim Einführen einer externen Komponente, beispielsweise eines Stößels mit einer weiteren Leiterbahn, die Funktionalität einer elektrischen Spule bereitstellen kann, um eine kontaktfreie induktive Energieübertragung zu ermöglichen. Die Leiterbahn ist vorteilhafterweise platzsparend anordenbar und kostengünstig herstellbar. Zudem ist die Funktionalität der elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung vorteilhaft in Bezug auf degradationsfreie
Kontaktierungsvorgänge der Leiterbahn.
Es wird eine mikrofluidische Vorrichtung vorgestellt. Die Vorrichtung weist ein Substrat mit zumindest einem Hohlraum und zumindest eine Leiterbahn auf. In den Hohlraum ist ein Bewegungselement einführbar. Die Leiterbahn ist an dem Hohlraum angeordnet. Zudem ist die Leiterbahn dazu ausgeformt, eine
Funktionalität einer elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen, insbesondere wenn das Bewegungselement in den Hohlraum eingeführt ist.
Bei der mikrofluidischen Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung für ein Chiplabor, auch Lab-on-a-Chip-System genannt, handeln. Unter einem Chiplabor kann ein mikrofluidisches System verstanden werden, in dem die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem beispielsweise kreditkartengroßen Kunststoffsubstrat, der Chiplaborkartusche, untergebracht werden kann und in dem komplexe biologische, diagnostische, chemische oder physikalische Prozesse miniaturisiert ablaufen können. Mithilfe der mikrofluidischen Vorrichtung kann beispielsweise eine Flüssigkeit auf einem Chip bereitgestellt oder transportiert werden. Die mikrofluidische Vorrichtung kann eine solche mikrofluidische Kartusche sein. Das Substrat kann aus einem Polymer, beispielsweise Polycarbonat oder einem oder einem thermoplastischen Elastomer ausgeformt sein. Der Hohlraum kann eine Kammer der Kartusche sein, beispielsweise eine Fluid- Kammer zum Vorlagern oder Prozessieren eines Fluids in der Kartusche. Auf einer Seite des Hohlraums, auf der das
Bewegungselement einführbar ist, kann der Hohlraum beispielsweise durch eine elastische Membran gegenüber einer Umgebung fluiddicht abgedichtet sein. Unter der Leiterbahn kann beispielsweise eine Wicklung verstanden werden. Die Wicklung kann beispielsweise spulenförmig oder spiralförmig an dem Hohlraum angeordnet sein. Die Leiterbahn kann als gedruckte Elektronik, beispielsweise mittels Siebdruck von Silber- oder Karbonpasten realisiert werden. Das
Bewegungselement kann beispielsweise ein Stößel eines Analysegeräts für die mikrofluidische Vorrichtung sein. Zum Bereitstellen der Funktionalität einer elektrischen Spule beim Einführen des Bewegungselements kann das
Bewegungselement beispielsweise aus einem magnetischen oder
magnetisierbaren Material, beispielsweise aus Eisen, ausgeformt sein. Unter der Funktionalität einer elektrischen Spule kann beispielsweise verstanden werden, dass bei einem sich ändernden Magnetfeld eine Spannung in die Leiterbahn induziert wird oder umgekehrt, bei einem Stromfluss durch die Leiterbahn ein Magnetfeld erzeugt wird. Die Leiterbahn kann zum Bereitstellen der
Funktionalität zumindest eine Windung aufweisen. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen kann die Leiterbahn die zumindest eine Windung bereits vor einem Einführen des Bewegungselements in den Hohlraum aufweisen oder durch das Einführen des Bewegungselements erlangen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Leiterbahn spiralförmig um einen Einführbereich für das Bewegungselement umlaufend angeordnet sein. Der Einführbereich kann beispielsweise einen Abschnitt einer Seite des Hohlraums aufweisen. Die Leiterbahn kann beispielsweise an der einen Seite des
Hohlraums angeordnet sein, oder die Leiterbahn kann einen Abschnitt des Hohlraums oder zwei Seitenwände des Hohlraums beispielsweise spiralförmig umgeben. Diese Anordnung der Leiterbahn ist vorteilhafterweise platzsparend. Zudem ermöglicht die Anordnung ein einfaches Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule mittels der Leiterbahn, wenn das Bewegungselement in den Hohlraum mit der Leiterbahn eingeführt ist.
Wenn das Bewegungselement eine Anregungsspule aufweist und in den
Hohlraum eingeführt ist, kann die Leiterbahn gemäß einer Ausführungsform als elektrische Spule ausgeformt sein. In diesem Fall kann die Leiterbahn als elektrische Spule zudem dazu ausgebildet sein, die induktive
Energieübertragung bereitzustellen. Die Anregungsspule kann beispielsweise eine weitere Leiterbahn in Form einer Wicklung um das Bewegungselement sein. Wenn das Bewegungselement in den Hohlraum eingeführt ist, kann das Bewegungselement einen Kern für die als elektrische Spule ausgeformten Leiterbahn darstellen. Durch eine Energieübertragung mittels der
Anregungsspule ist es somit möglich, durch die Leiterbahn als elektrische Spule die induktive Energieübertragung bereitzustellen. Vorteilhafterweise ist somit eine kontaktfreie induktive Energieübertragung zwischen der mikrofluidischen
Vorrichtung und einer Einheit mit dem Bewegungselement, beispielsweise dem Analysegerät für die mikrofluidische Vorrichtung, möglich.
Wenn die Leiterbahn als elektrische Spule ausgeformt ist, kann die
mikrofluidische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform ein Kernelement aufweisen, das innerhalb der elektrischen Spule in dem Hohlraum angeordnet ist. Das Kernelement kann über die elektrische Spule hinausragen, um ein
Anregungsmagnetfeld in die Spule einzuleiten. Das Kernelement kann beispielsweise ein Metallkern sein. Zudem kann das Kernelement ausgeformt sein, in die Anregungsspule hineinzuragen, wenn das Bewegungselement in den Hohlraum eingeführt ist. Dazu kann das Bewegungselement beispielsweise als Hohlzylinder ausgeformt sein, und dazu ausgeformt sein, das Kernelement im in den Hohlraum eingeführten Zustand zumindest teilweise zu umschließen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die Funktionalität der elektrischen Spule
unabhängig von einem Material des Bewegungselements.
Das Substrat kann gemäß einer Ausführungsform ein an dem Hohlraum angeordnetes Abschirmelement aufweisen. Das Abschirmelement kann ausgebildet sein, eine Umgebung des Hohlraums von einem mittels der elektrischen Spule erzeugten Magnetfeld abzuschirmen. Das Abschirmelement kann beispielsweise eine Metallhülle sein. Vorteilhafterweise erhöht das
Abschirmelement eine elektromagnetische Verträglichkeit in Bezug auf andere Komponenten der mikrofluidischen Vorrichtung oder des Analysegeräts für die mikrofluidische Vorrichtung.
Zudem kann das Substrat gemäß einer Ausführungsform ein in dem Hohlraum anordenbares Einlegeelement aufweisen. Die Leiterbahn kann an dem
Einlegeelement angeordnet sein. Das Einlegeelement, im Folgenden auch Inlay genannt, kann beispielsweise ausgeformt sein, in das Substrat einsetzbar zu sein. Vorteilhafterweise ist es damit möglich, das Einlegeelement mit der Leiterbahn je nach Bedarf in eine handelsübliche Kartusche einzusetzen. Dies ist auch im Hinblick auf Herstellungskosten vorteilhaft.
Das Einlegeelement kann gemäß einer Ausführungsform auch eine vorgelagerte Substanz zum Prozessieren in der Vorrichtung aufweisen. Das Einlegeelement kann in diesem Fall beispielsweise einen Reagenzienriegel umfassen, in dem Substanzen vorgelagert sind. Unter der vorgelagerten Substanz kann
beispielsweise ein Flüssigreagenz verstanden werden, wie beispielsweise eine salzhaltige, ethanolhaltige oder wässrige Lösung, oder ein Detergens oder Trocken reagenz, wie Lyophilisat oder Salz. Vorteilhafterweise ist die induktive Energieübertragung somit mit einer Substanzvorlagerung in der mikrofluidischen Vorrichtung kombinierbar.
Auch kann das Substrat gemäß einer Ausführungsform eine Membran umfassen. Die Membran kann an einer Seite des Hohlraums angeordnet sein, an der das Bewegungselement einführbar ist. Zudem kann die Membran dazu ausgeformt sein, den Hohlraum an zumindest der Seite fluiddicht abzudichten. Die Membran kann elastisch sein. Beim Einführen des Bewegungselements kann die Membran entlang einer Bewegungsrichtung des Bewegungselements auslenkbar sein. Das fluiddichte Abdichten des Hohlraums ermöglicht vorteilhafterweise eine
Verwendung des Hohlraums als Fluid-Kammer. Dies ist auch in Bezug auf eine kompakte Bauweise der mikrofluidischen Vorrichtung vorteilhaft.
Die Membran kann gemäß einer Ausführungsform aus einem elastischen und elektrisch isolierenden Material ausgeformt sein. Dazu kann die Membran aus einem Polymer, beispielsweise einem thermoplastischen Elastomer ausgeformt sein. Zudem kann die Membran eine Schichtdicke von 25 bis 500 Mikrometern aufweisen. Die Membran kann auch aus einem Material ausgeformt sein, das eine magnetische Flussdichte erhöht.
Ferner kann die Leiterbahn gemäß einer Ausführungsform planar an einer dem Hohlraum zugewandten Seite der Membran angeordnet sein. Dazu können sich Wicklungen der Leiterbahn in einer gemeinsamen Ebene erstrecken.
Vorteilhafterweise ist die Leiterbahn somit platzsparend anordenbar. Wenn die Leiterbahn planar an der Membran angeordnet ist, kann die Leiterbahn beispielsweise in die Membran eingebettet sein. Dies schützt die Leiterbahn vorteilhaft, beispielsweise gegenüber einer feuchten Umgebung. Zudem kann eine weitere Schicht, beispielsweise eine weitere Membran, auf der Seite der Membran, auf der die Leiterbahn angeordnet ist, aufgebracht werden, beispielsweise mittels Laserschweißen, um die Leiterbahn von zwei Seiten abzudecken.
Die Leiterbahn kann gemäß einer Ausführungsform zum Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule durch ein Auslenken der Membran verformbar sein. Wenn das Bewegungselement eingeführt wird, kann sich die Leiterbahn verformen. Wenn die Leiterbahn beispielsweise planar an dem Hohlraum angeordnet ist, kann die Leiterbahn durch das Verformen in der Form einer elektrischen Spule ausgeformt werden. Beim Einführen des
Bewegungselements kann sich die Membran auslenken, wodurch sich Material zwischen oder im Bereich der Leiterbahn ausdehnen kann. Die Membran und die Leiterbahn können dadurch in der Bewegungsrichtung des Bewegungselements gedrückt werden, wodurch sich die Leiterbahn zu der elektrischen Spule verformt. Vorteilhafterweise ist das Verformen der Spule nicht permanent, sondern wird durch das Auslenken der Membran bewirkt und ist durch
Zurückbewegen des Bewegungselements reversibel. Dies ist vorteilhafterweise platzsparend. Zudem wird somit ein Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule bei einem Einführen des Bewegungselements nach Bedarf ermöglicht.
Wenn die mikrofluidische Vorrichtung die Membran umfasst, kann das Substrat gemäß einer Ausführungsform eine weitere Leiterbahn aufweisen. Die weitere Leiterbahn kann an der Membran oder an einer weiteren Membran an dem Hohlraum angeordnet sein. Die weitere Leiterbahn kann beispielsweise auch planar ausgeführt sein und dazu ausgeformt sein, beim Einführen des
Bewegungselements in die Leiterbahn gedrückt zu werden. Dabei können sich die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn ineinander verstülpen.
Vorteilhafterweise ist somit eine induktive Energieübertragung kontaktfrei möglich. Mit diesem Ansatz wird zudem ein Analysegerät für eine mikrofluidische
Vorrichtung vorgestellt. Die mikrofluidische Vorrichtung weist ein Substrat mit zumindest einem Hohlraum auf, in den ein Bewegungselement einführbar ist. Zudem weist die mikrofluidische Vorrichtung eine Leiterbahn auf, die an dem Hohlraum angeordnet ist. Die Leiterbahn ist dazu ausgeformt, um eine
Funktionalität einer elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen, wenn das Bewegungselement in den Hohlraum eingeführt ist.
Das Analysegerät umfasst einen Aufnahmebereich zum Aufnehmen der mikrofluidischen Vorrichtung und eine bewegliche Plattform mit dem
Bewegungselement. Die Plattform ist ausgebildet, das Bewegungselement in den Hohlraum einzuführen.
Bei der mikrofluidischen Vorrichtung kann es sich um eine Ausführungsform der vorstehend genannten Vorrichtung handeln. Die mikrofluidische Vorrichtung kann beispielsweise eine Kartusche für ein Chiplabor sein. Das Analysegerät kann beispielsweise eine Analyseeinheit für die mikrofluidische Vorrichtung sein. Das Bewegungselement kann aus einem elektrisch leitfähigen Material oder magnetisierbaren Material ausgeformt sein, beispielsweise aus Eisen.
Beispielsweise kann das Bewegungselement einen Durchmesser von fünf Millimeter bis fünf Zentimeter aufweisen. Bei dem Bewegungselement kann es sich beispielsweise um einen Stößel handeln, der ausgeformt ist, durch ein Einführen in die mikrofluidische Vorrichtung ein Prozessieren eines Fluids in der Vorrichtung vorzubereiten oder herbeizuführen. Dazu kann der Stößel ausgeformt sein, ein Element der mikrofluidischen Vorrichtung, beispielsweise die Membran, zu durchstoßen oder auszulenken. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Bewegungselement als Justagestift zum Justieren oder Korrigieren einer Position der mikrofluidischen Vorrichtung in dem Aufnahmebereich oder in dem Analysegerät sein.
Das Bewegungselement kann gemäß einer Ausführungsform eine
Anregungsspule zur induktiven Energieübertragung umfassen. Die
Anregungsspule kann als Wicklung um das Bewegungselement umlaufend an dem Bewegungselement angeordnet sein. Zudem kann die Anregungsspule bei dem Einführen des Bewegungselements in den Hohlraum in die Leiterbahn der mikrofluidischen Vorrichtung hineinragen oder von dieser umgeben werden. Alternativ dazu kann die Anregungsspule auch an einem Abschnitt des
Bewegungselements angeordnet sein, der beim Einführen nicht in den Hohlraum eingeführt wird, beispielsweise an einem in der Plattform angeordneten Abschnitt des Bewegungselements. In diesem Fall ist die Anregungsspule
vorteilhafterweise vor einer Degradation durch ein Freiliegen geschützt.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Bewegungselement als Hohlzylinder ausgeformt sein. Das Bewegungselement kann beispielsweise ausgeformt sein, beim Einführen in den Hohlraum ein anders Element zu umfassen,
beispielsweise das obenstehend beschriebene Kernelement der mikrofluidischen Vorrichtung. In diesem Fall kann das Bewegungselement auch aus einem elektrisch isolierenden Material ausgeformt sein, beispielsweise aus einem Kunststoff.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Analysegeräts mit einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Analysegeräts mit einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Analysegeräts 100 mit einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Analysegerät 100 für die mikrofluidische Vorrichtung 105 umfasst einen
Aufnahmebereich 110 zum Aufnehmen der mikrofluidischen Vorrichtung und eine bewegliche Plattform 115 mit einem Bewegungselement 120. Die Plattform ist ausgebildet, das Bewegungselement 120 in die mikrofluidische Vorrichtung 105 einzuführen.
Die mikrofluidische Vorrichtung 105 weist ein Substrat 125 mit zumindest einem Hohlraum 130 auf. Das Bewegungselement 120 des Analysegeräts 100 ist in den Hohlraum 130 einführbar. Zudem weist die mikrofluidische Vorrichtung 105 eine Leiterbahn 135 auf. Die Leiterbahn 135 ist an dem Hohlraum 130 angeordnet. Zudem ist die Leiterbahn 135 dazu ausgeformt, eine Funktionalität einer elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen, wenn das Bewegungselement 120 in den Hohlraum 130 eingeführt ist.
Das Analysegerät 100 ist als Chiplabor-Analysegerät für eine mikrofluidische Kartusche wie die hier gezeigte mikrofluidische Vorrichtung 105 verwendbar. Das Substrat 125 der mikrofluidischen Vorrichtung 105 ist aus einem Polymerverbund ausgeformt und die mikrofluidische Vorrichtung 105 beinhaltet ein fluidisches Netzwerk, mit dem Reagenzien prozessierbar sind. Wenn das Analysegerät 100 an eine Energieversorgung, beispielsweise ein Stromnetz, angeschlossen ist, ist eine Elektrifizierung der hier gezeigten mikrofluidischen Vorrichtung 105 mittels Induktion möglich. Somit ist eine kontaktfreie Energieübertragung von dem Analysegerät 100 auf die mikrofluidische Vorrichtung 105 möglich. Dazu weist die mikrofluidische Vorrichtung 105 die Leiterbahn 135 auf. Die an dem
Hohlraum 130 angeordnete Leiterbahn 135 weist zumindest eine Wicklung auf. Die Leiterbahn 135 ist optional dazu ausgeformt, den Hohlraum 130 teilweise zu umschließen. Hier ist die Wicklung der Leiterbahn 135 beispielhaft um den Hohlraum 130 herumführend und somit den Hohlraum 130 umgebend
ausgeführt. Alternativ dazu kann die Leiterbahn 135 beispielsweise auch planar an einer Seite des Hohlraums 130 angeordnet sein, beispielsweise an einer dem Bewegungselement 120 zugewandten Seite des Hohlraums 130. Die Leiterbahn 135 ist aus einem metallischen Draht, beispielsweise aus einem Kupferlackdraht, ausformbar und weist einen Durchmesser von beispielsweise 0,1 bis 0,5
Millimeter auf. Vorteilhafterweise ist die Leiterbahn 135 platzsparend in der mikrofluidischen Vorrichtung 105 anordenbar. Ausführungsbeispiele der
Anordnung und Ausformung der Leiterbahn 135 sind nachfolgend anhand untenstehender Figuren detaillierter beschrieben.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 und eines Analysegeräts 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Als Teil des Analysegeräts 100 ist ein Ausschnitt der Plattform 115 mit dem Bewegungselement 120 gezeigt. Der Ausschnitt der mikrofluidischen Vorrichtung 105 zeigt den Hohlraum 130 in dem Substrat 125 mit der Leiterbahn 135, die gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als elektrisch leitfähige Spule um den Hohlraum 130 umlaufend angeordnet ist. In den Hohlraum 130 ist hier zudem das Bewegungselement 120 eingeführt.
Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Leiterbahn 135 spiralförmig um einen Einführbereich für das Bewegungselement 120 umlaufend angeordnet. Hier umgibt die Wicklung der Leiterbahn 135 den Hohlraum 130 spiralförmig. Somit weist die Leiterbahn 135 eine Mehrzahl von Windungen auf. Das Bewegungselement 120 weist gemäß dem hier gezeigten
Ausführungsbeispiel eine Anregungsspule 205 auf. Wenn das
Bewegungselement 120 mit der Anregungsspule 205 wie in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in den Hohlraum eingeführt ist, umgibt die Leiterbahn 135 die Anregungsspule 205. Somit liegt die Anregungsspule 205 hier als innere Spule innerhalb der als äußerer Spule ausgeformten Leiterbahn 135.
Die Leiterbahn 135 ist gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel somit als weitere elektrische Spule ausgeformt. Zudem ist die Leiterbahn 135 dazu ausgebildet, die induktive Energieübertragung zu ermöglichen, wenn das Bewegungselement 120 mit der Anregungsspule 205 in den Hohlraum 130 eingeführt ist. Vorteilhafterweise ist damit eine kontaktfreie Energieübertragung zwischen dem Analysegerät 100 und der mikrofluidischen Vorrichtung 105 möglich. Die Leiterbahn 135 und die Anregungsspule 205 sind als
Induktionsspulen verwendbar, die sich bei einer mechanischen Kontaktierung durch das Einführen des Bewegungselements 120 ineinander verstülpen.
Das Bewegungselement 120 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise als Eisenkern, ausgeformt, um ein Magnetfeld bei der induktiven Energieübertragung zu verstärken. Bei dem Bewegungselement 120 handelt es sich beispielsweise um einen Stößel, der dazu ausgebildet ist, durch ein Einführen in eine Reagenzienkammer der mikrofluidischen Vorrichtung 105 Reagenzien freizusetzen. Durch die Anordnung der Anregungsspule 205 an dem Bewegungselement 120 ist hier zusätzlich oder alternativ die Elektrifizierung der mikrofluidischen Vorrichtung 105 mittels Induktion möglich.
Wenn der Hohlraum 130 von drei Seiten von dem Substrat 125 umschlossen ist, und auf der dem Einführbereich für das Bewegungselements 120 zugewandten Seite beispielsweise durch eine Membran abgedichtet ist, kann der Hohlraum 130 auch als mikrofluidische Kammer oder als Vorlagerungskammer der mikrofluidischen Vorrichtung 105 ausgeführt sein. Vorteilhafterweise ist das Anordnen der Leiterbahn 135 an einer bereits auf der mikrofluidischen
Vorrichtung 105 ausgeformten Kammer oder an einer auch anderweitig nutzbaren Kammer als Hohlraum 130 möglich, was platzsparend ist.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 und eines Analysegeräts 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Die hier gezeigten Ausschnitte der mikrofluidischen Vorrichtung 105 mit dem Hohlraum 130 in dem Substrat 125 und der Leiterbahn 135 als elektrischer Spule, sowie des Analysegeräts 100 mit der Plattform 115 und dem Bewegungselement 120 entsprechen oder ähneln dem anhand von Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anregungsspule 205 jedoch an einem anderen Abschnitt des Bewegungselements 120 angeordnet. Das Bewegungselement 120 weist einen in die Plattform 115 eingebetteten Abschnitt auf, an dem die Anregungsspule 205 angeordnet ist. Wenn das Bewegungselement 120 wie in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in den Hohlraum 130 eingeführt ist, ist die Anregungsspule 205 somit außerhalb des Hohlraums 130 angeordnet und damit auch außerhalb der Leiterbahn 135 als elektrischer Spule angeordnet. Für die induktive Energieübertragung ist das Bewegungselement 120 aus dem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise dem Eisenkern, ausgeformt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Anregungsspule 205 setzt sich ein so entstehendes Magnetfeld in dem
Eisenkern des Bewegungselements 120 fort, wodurch eine Wechselwirkung mit der Leiterbahn 135 ermöglicht wird. Die hier gezeigte Anordnung der
Anregungsspule 205 ist in Bezug auf eine Degradation durch wiederholte Bewegung vorteilhafterweise geschützt.
In dem Hohlraum 130 ist innerhalb der Leiterbahn 135 als elektrischer Spule gemäß einem Ausführungsbeispiel zudem ein Kernelement angeordnet. Das Kernelement ragt über die Leiterbahn 135 hinaus, um ein Anregungsmagnetfeld in die elektrische Spule einzuleiten. Das Kernelement ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt, beispielsweise als Metallkern. In diesem Fall ist das Bewegungselement 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel als Hohlzylinder ausgeformt. Bei dem Einführen des Bewegungselements 120 ragt das
Kernelement in die Anregungsspule 205 hinein, um das Anregungsmagnetfeld in die elektrische Spule einzuleiten. Das Bewegungselement 120 ist dann beispielsweise auch aus einem elektrisch isolierenden Material wie Kunststoff oder mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit ausführbar.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 und eines Analysegeräts 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ähnlich oder entsprechend dem anhand von Fig. 2 und/oder Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst der hier gezeigte Ausschnitt des Analysegeräts 100 die Plattform 115 und das Bewegungselement 120 mit der Anregungsspule 205. Der Ausschnitt der mikrofluidischen
Vorrichtung 105 zeigt den Hohlraum 130 in dem Substrat 125.
Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die mikrofluidische Vorrichtung 105 zudem eine Membran 405. Die Membran 405 ist an einer Seite des Hohlraums 130 angeordnet, an der das Bewegungselement 120 einführbar ist. Zudem ist die Membran 405 dazu ausgeformt, den Hohlraum 130 an zumindest der Seite des Einführbereichs des Bewegungselements 120 fluiddicht anzudichten. Hier ist der Hohlraum 130 durch das Abdichten mittels der
Membran 405 als Fluid- Kammer oder Vorhaltungskammer der mikrofluidischen Vorrichtung 105 verwendbar. Die Membran 405 ist elastisch und ist dazu ausgebildet, ansprechend auf einen mechanischen Kontakt mit dem
Bewegungselement 120 auslenkbar zu sein. In dem hier gezeigten in den Hohlraum 130 eingeführten Zustand des Bewegungselements 120 ist die Membran 405 ausgelenkt und ragt mit dem Bewegungselement 120 in die Leiterbahn 135 als elektrischer Spule hinein. Zur Elektrifizierung der
mikrofluidischen Vorrichtung 105 mittels Induktion ist es vorteilhaft, wenn die Membran 405 aus einem Material ausgeformt ist, das die magnetische
Flussdichte erhöht.
Die Membran 405 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel aus einem elastischen und elektrisch isolierenden Material ausgeformt, beispielsweise aus einem thermoplastischen Elastomer. Die Membran 405 weist eine Schichtdicke von beispielsweise 25 bis 500 Mikrometern auf.
Die mikrofluidische Vorrichtung 105 weist gemäß dem hier gezeigten
Ausführungsbeispiel zudem ein in dem Hohlraum 130 anordenbares
Einlegeelement 410 auf. Die Leiterbahn 135 ist in diesem Fall an dem
Einlegeelement 410 angeordnet. Das Einlegeelement 410, auch Inlay genannt, ist aus einem Polymer, beispielsweise aus Polycarbonat, ausgeformt. Zudem ist das Einlegeelement 410 vorteilhafterweise je nach Bedarf in die mikrofluidische Vorrichtung 105 einbaubar. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine kostengünstige und einfache Realisierung der Anordnung der Leiterbahn 135 in der mikrofluidischen Vorrichtung 105. Auch bei der Herstellung der
mikrofluidischen Vorrichtung 105 oder des Einlegeelements 410 unter
Verwendung einer Spritzgussform ist dies vorteilhaft im Hinblick auf Kosten und Aufwand.
Das Einlegeelement 410 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel zudem eine vorgelagerte Substanz zum Prozessieren in der mikrofluidischen Vorrichtung 105 auf. Dazu ist das Einlegeelement 410 beispielsweise als Reagenzriegel ausgeformt, in dem Reagenzien zum Prozessieren in der mikrofluidischen Vorrichtung 105 aufbewahrt oder vorgelagert werden. In diesem Fall ist die Reagenzienvorlagerung in der mikrofluidischen Vorrichtung 105 in der hier gezeigten Kammer in Form des Hohlraums 130 mit dem Einlegeelement 410 mit der Elektrizitätsübertragung zwischen der mikrofluidischen Vorrichtung 105 und dem Analysegerät 100 kombinierbar.
Zudem weist die mikrofluidische Vorrichtung 105 gemäß einem
Ausführungsbeispiel ein an dem Hohlraum 130 angeordnetes Abschirmelement auf. Das Abschirmelement ist ausgebildet, eine Umgebung des Hohlraums 130 von einem mittels der Leiterbahn 135 als elektrischer Spule erzeugten
Magnetfeld abzuschirmen. Das Abschirmelement ist beispielsweise als eine Blechhülle realisierbar, die an zumindest einer der Innenwände des Hohlraums 130 anordenbar ist. Das Anordnen des Abschirmelements ist vorteilhaft in Bezug auf eine elektromagnetische Verträglichkeit anderer in der mikrofluidischen Vorrichtung 105 oder dem Analysegerät 100 angeordneter Komponenten.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die mikrofluidische Vorrichtung 105 entspricht oder ähnelt der mikrofluidischen Vorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren und/oder das Analysegerät entspricht oder ähnelt dem Analysegerät aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Als Teil der mikrofluidischen Vorrichtung 105 ist hier eine Aufsicht auf das Substrat 125 mit dem Hohlraum 130 gezeigt, um den die Leiterbahn 135 in Form der Wicklung herumgeführt ist. Der Hohlraum 130 ist hier nicht als Fluid-Kammer ausgeführt, sondern als Hohlraum 130 zum Einführen eines Justagepins zum korrekten Positionieren der mikrofluidischen Vorrichtung 105 in dem Analysegerät. Als Teil des Analysegeräts ist das Bewegungselement 120 mit der Anregungsspule 205 gezeigt. Das Bewegungselement 120 ist hier als Justagepin ausgeführt.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die mikrofluidische
Vorrichtung 105 entspricht oder ähnelt der mikrofluidischen Vorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Als Teil der mikrofluidischen Vorrichtung 105 sind hier die Membran 405, ein Einführbereich 605 für das
Bewegungselement und die spiralförmig um den Einführbereich 605 umlaufend angeordnete Leiterbahn 135 gezeigt. Der Einführbereich 605 entspricht zumindest einem Durchmesser des Bewegungselements 120.
Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Leiterbahn 135 planar an einer dem Hohlraum zugewandten Seite der Membran 405 angeordnet. Die planaren Wicklungen der Leiterbahn 135 erstrecken sich in einer gemeinsamen Ebene. Die Leiterbahn 135 liegt hier spulenförmig in einer Ebene. Zudem ist die Leiterbahn 135 auf die Membran 405 aufgebracht oder in die Membran 405 eingebettet. Zum Einbetten der Leiterbahn 135 in die Membran 405 ist die Membran 405 in zwei Schichten ausführbar, wobei die Leiterbahn 135 zwischen die beiden beispielsweise durch Laserschweißen verbundenen Schichten der Membran 405 angeordnet ist, um die Elektronik der Leiterbahn 135 von beiden Seiten abzudecken. Das elastische Material der Membran 405 wirkt dabei abdichtend, wodurch die Membran 405 mit der eingebetteten Leiterbahn auch in nasser Umgebung verwendbar ist, beispielsweise wenn der Hohlraum den Reagenzriegel für die mikrofluidische Vorrichtung 105 aufweist. Die Leiterbahn 135 ist als gedruckte Elektronik, beispielsweise mittels Siebdruck von Silber oder Karbonpasten, realisierbar. Die hier gezeigte planar angeordnete Leiterbahn 135 ist zum Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule optional verformbar, was detaillierter anhand der nachfolgenden Fig. 7 beschrieben ist.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Der hier gezeigte Teil der mikrofluidischen Vorrichtung 105 ähnelt oder entspricht dem anhand von Fig. 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel, mit der Membran 405 und der planar und spiralförmig angeordneten Leiterbahn 135. Als Teil des Analysegeräts 100 ist das Bewegungselement 120 gezeigt.
Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Leiterbahn 135 zum Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule durch ein Auslenken der Membran 405 verformbar. Die Membran 405 ist durch einen mechanischen Kontakt mit dem Bewegungselement 120 verformbar. Durch das Einführen des Bewegungselements 120 wird die spulenförmige Windung der Leiterbahn 135 mit dem Auslenken der Membran entlang einer Bewegungsrichtung des
Bewegungselements 120 verformt, wodurch eine elektrische Spule ausgeformt wird. Die planar aufgebrachte Leiterbahn 135 wird somit zu einer
dreidimensionalen Spule verformt. Somit kann die hier gezeigte mikrofluidische Vorrichtung 105 auch als Vorrichtung zur Herstellung einer Spule bezeichnet werden. In dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Membran 405 ausgelenkt, wenn das Bewegungselement, beispielsweise in Form eines Stößels aus einem magnetisierbaren Material, auf den Einführbereich für das
Bewegungselement trifft. Das Material der Membran 405 zwischen den
Spulenwindungen der Leiterbahn 135 dehnt sich entsprechend der Form und der Bewegungsrichtung des Bewegungselements 120 aus. Dabei verformt sich die Leiterbahn 135, sodass sie zu einem dreidimensionalen Gebilde wird.
Die Verformung der Leiterbahn 135 ist mit der Elastizität der Membran 405 reversibel, und wenn das Bewegungselement 120 herausgezogen wird, nimmt die Leiterbahn 135 wieder den flachen, planaren Ausgangszustand ein. Dies ist vorteilhafterweise platzsparend. Für die planare Mikrofabrikation der Leiterbahn 135 ist vorteilhafterweise zudem kein komplexes dreidimensionales Verfahren erforderlich. Bei einer Dimensionierung der Leiterbahn 135 ist ein
Steigungswinkel der Windung der Leiterbahn 135 beim Verformen zur der elektrischen Spule wichtig, damit die Leiterbahn 135 keine zu große Biegung erfährt.
Die mikrofluidische Vorrichtung 105 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine weitere Leiterbahn auf. Die weitere Leiterbahn ist an der Membran 405 oder an einer weiteren Membran an dem Hohlraum angeordnet. Dabei sind die Leiterbahn 135 und die weitere Leiterbahn so anordenbar, dass die weitere Leiterbahn beim Einführen des Bewegungselements 120 in die Leiterbahn 135 gedrückt wird. Dadurch bilden sich zwei übereinander liegende Spulen aus der Leiterbahn 135 und der weiteren Leiterbahn, was eine kontaktfreie induktive Energieübertragung ermöglicht.
Auch die hier gezeigte Ausführungsform der Membran 405 mit der eingebetteten Leiterbahn 135 ist zum Abdichten des Hohlraums verwendbar, um den Hohlraum als Fluid-Kammer, beispielsweise als Reagenzvorlagerungskammer, nutzbar zu machen.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Analysegeräts 100 mit einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die mikrofluidische Vorrichtung 105 ähnelt anhand vorhergehend gezeigter Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen und umfasst das Substrat 125 mit dem Hohlraum 130 und der spiralförmig um den Hohlraum 130 umlaufend
angeordneten Leiterbahn 135. Das hier gezeigte Analysegerät ähnelt oder entspricht dem anhand vorhergehender Figuren beschriebenen Analysegerät 100 mit der beweglichen Plattform 115 mit dem Bewegungselement 120. Die Anordnung der Anregungsspule 205 an dem Bewegungselement 120 entspricht dem anhand von Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel, mit der Anordnung der Anregungsspule 205 an einem in die Plattform 115 eingebettetem Abschnitt des Bewegungselements 120.
Die Plattform 115 ist hier in Richtung des Aufnahmebereichs der mikrofluidischen Vorrichtung 105 bewegbar. Hier weist die Plattform 115 zudem beispielhaft eine Spindel 805 auf. Die Spindel 805 ist ausgebildet, die Plattform 115 und damit das Bewegungselement 120 zu bewegen. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Plattform 115, das Bewegungselement 120 und die mikrofluidische Vorrichtung 105 hochgefahren, bis die mikrofluidische Vorrichtung 105 oben an einen Deckenabschnitt des Analysegeräts 100 anstößt, wodurch das
Bewegungselement 120 bis zum Anschlag in den von der Leiterbahn 135 umhüllten Hohlraum 130 der mikrofluidischen Vorrichtung 105 eingeführt wird. Durch ein Anlegen von Elektrizität an die Anregungsspule 205 kann über die Leiterbahn 135 als elektrischer Spule per Induktion ein Verbraucher 810 auf der mikrofluidischen Vorrichtung 105 betrieben werden. Die mikrofluidische
Vorrichtung 105 umfasst optional wie in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel elektrizitätsführende Netze und den Verbraucher 810, beispielsweise für dielektrophoretische Anwendungen. Die Energieübertragung per Induktion wie hier mittels der Leiterbahn 135 als elektrischer Spule und der Anregungsspule 205 an dem Bewegungselement 120 ist dabei vorteilhaft für eine stabile
Energieübertragung zwischen dem Analysegerät 100 und der mikrofluidischen Vorrichtung 105 mit einfach trennbaren Kontakten, die auch eine Vielzahl an
Kontaktierungsvorgänge degradationsfrei zu überstehen.

Claims

Ansprüche
1. Mikrofluidische Vorrichtung (105) mit folgenden Merkmalen: ein Substrat (125) mit zumindest einem Hohlraum (130), in den ein Bewegungselement (120) einführbar ist; und eine Leiterbahn (135), die an dem Hohlraum (130) angeordnet ist, wobei die Leiterbahn (135) ausgeformt ist, um eine Funktionalität einer elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen.
2. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 1, wobei die
Leiterbahn (135) spiralförmig um einen Einführbereich (605) für das Bewegungselement (120) umlaufend angeordnet ist.
3. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Leiterbahn (135) als elektrische Spule ausgeformt ist und dazu ausgebildet ist, die induktive Energieübertragung bereitzustellen, wenn das Bewegungselement (120) eine
Anregungsspule (205) aufweist und in den Hohlraum (130) eingeführt ist.
4. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 3, mit einem
Kernelement, das innerhalb der elektrischen Spule in dem Hohlraum (130) angeordnet ist und über die elektrische Spule hinausragt, um ein Anregungsmagnetfeld in die Spule einzuleiten.
5. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Substrat (125) ein an dem Hohlraum (130) angeordnetes Abschirmelement aufweist, das ausgebildet ist, eine Umgebung des Hohlraums (130) von einem mittels der elektrischen Spule erzeugten Magnetfeld abzuschirmen.
6. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Substrat (125) ein in dem Hohlraum (130) anordenbares Einlegeelement (410) aufweist, wobei die Leiterbahn (135) an dem Einlegeelement (410) angeordnet ist.
7. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 7, wobei das
Einlegeelement (410) eine vorgelagerte Substanz zum Prozessieren in der mikrofluidischen Vorrichtung (105) aufweist.
8. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Substrat (125) eine Membran (405) umfasst, wobei die Membran (405) an einer Seite des Hohlraums (130) angeordnet ist, an der das Bewegungselement (120) einführbar ist, wobei die Membran (405) ausgeformt ist, den Hohlraum (130) an zumindest der Seite fluiddicht anzudichten.
9. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 8, wobei die
Membran (405) aus einem elastischen und elektrisch isolierenden Material ausgeformt ist.
10. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Leiterbahn (135) planar an einer dem Hohlraum (130) zugewandten Seite der Membran (405) angeordnet ist.
11. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 8 bis 10, wobei die Leiterbahn (135) zum Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule durch ein Auslenken der Membran (405) verformbar ist.
12. Mikrofluidische Vorrichtung (105) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, mit einer weiteren Leiterbahn (135), wobei die weitere Leiterbahn (135) an der Membran (405) oder an einer weiteren Membran (405) an dem Hohlraum (130) angeordnet ist.
13. Analysegerät (100) für eine mikrofluidische Vorrichtung (105), wobei die mikrofluidische Vorrichtung (105) ein Substrat (125) mit zumindest einem Hohlraum (130), in den ein Bewegungselement (120) einführbar ist und eine Leiterbahn (135), die an dem Hohlraum (130) angeordnet ist und dazu ausgeformt ist, um eine Funktionalität einer elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen, wenn das
Bewegungselement (120) in den Hohlraum (130) eingeführt ist, wobei das Analysegerät (100) folgende Merkmale aufweist: einen Aufnahmebereich (110) zum Aufnehmen der mikrofluidischen Vorrichtung (105); und eine bewegliche Plattform (115) mit dem Bewegungselement (120), wobei die Plattform (115) ausgebildet ist, das Bewegungselement (120) in den Hohlraum (130) einzuführen.
14. Analysegerät (100) gemäß Anspruch 13, wobei das Bewegungselement (120) eine Anregungsspule (205) zur induktiven Energieübertragung aufweist.
15. Analysegerät (100) gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei das
Bewegungselement (120) als Hohlzylinder ausgeformt ist.
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