Polymerschichtsystem-Drucksensorvorrichtung und Polvmerschichtsvstem- Drucksensorverfahren

Die Erfindung betrifft eine Polymerschichtsystem-Drucksensorvorrichtung und ein

Polymerschichtsystem-Drucksensorverfahren.

Stand der Technik

Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von integrierten mikrofluidischen Bauteilen erläutert.

Integrierte mikrofluidische Bauteile, z.B. Lab-on-a-Chip-Systeme in der Medizintechnik, bestehen häufig aus einem polymeren Schichtaufbau mit eingeschlossenen

mikrofluidischen Strukturen, wie z.B. Kanälen und Kammern.

Mikrofluidische Bauteile auf Basis von polymeren Schichtsystemen sind aufgrund der flexiblen Bearbeitungs- und Verbindungstechnologien vielseitig einsetzbar und dank geringer Kosten eine sehr gute Plattform zur Realisierung von Einweg-Bauteilen. Zur Erhöhung der Kontrolle von Vorgängen in komplexen mikrofluidischen Systemen sind grundlegende Informationen über den physikalischen Zustand der Fluide in derartigen Systemen unerlässlich. Neben der Temperatur sind vor allem die Drücke in

mikrofluidischen Kavitäten bzw. Kanälen von Bedeutung, um genaue Flussraten einstellen zu können, die Verstopfung eines Kanals feststellen zu können und die Funktion von Ventilen oder Pumpen zu überwachen.

Die DE 10 2009 000 529 A1 beschreibt ein System zur Druckmessung mit einem einseitig offenen Messkanal, wobei am offenen Ende eine Verbindung zur Flüssigkeit besteht und am geschlossenen Ende ein Gas eingeschlossen ist. Bei Erhöhung des Drucks wird das Gas komprimiert und die Gas-Flüssigkeit-Grenzfläche verschoben. Durch Beobachtung des Meniskus lässt sich die Volumenänderung ermitteln und bei bekanntem Anfangsdruck über das Boyle-Marriottsche Gesetz der aktuelle Druck ermitteln. Zur Detektion der Position des Meniskus wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches die Eigenschaften eines Lichtstrahls beurteilt, der mit Hilfe von Umlenkspiegeln den Bereich der zu erwartenden Position des Meniskus durchquert hat.

In Sensor Actuat. A - Frisch 1 18 (205), Seiten 212 bis 221 wird ein Drucksensor auf Siliziumbasis vorgestellt. Darin lenkt die Erhöhung des Drucks eine Siliziummembran aus, wobei die Auslenkung über die Reflexion eines Lichtstrahls ermittelt wird. Micromachined Channel/Pressure Sensor Systems for Microflow Studies, J. Liu et al., 7th International Conference Solid-State Sensors and Actuators (Transducers 3) beschreibt einen mikrofluidischen Kanal auf Siliziumbasis mit angebundenen piezo- resistiven Drucksensoren. Aus der DE 10 2008 002 336 A1 ist ein Quetschventil in einem Verfahren zu dessen

Herstellung bekannt, wobei das Quetschventil Anwendung in mikrofluidischen Systemen findet.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft eine Polymerschichtsystem-Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Polymerschichtsystem-Drucksensorverfahren nach Anspruch 1 1 .

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung

Der Kern der vorliegenden Erfindung ist ein Schichtaufbau bestehend aus einem

Polymersubstrat mit mikrofluidischer Kavität, welche in einem Bereich durch eine flexible Polymermembran gedeckelt ist, wobei die Rückseite metallisiert wurde. In einem Abstand darüber befindet sich eine weitere Metallisierungsschicht, die mit einer darüberliegenden Polymermembran und einem darauf befindlichen Polymersubstrat verbunden ist.

Zwischen den beiden Metallschichten befindet sich eine weitere Kavität, die durch einen nach außen geführten Kanal an einen Referenzdruck angeschlossen ist und mit einem Fluid, vorzugsweise einem Gas, gefüllt ist. Im einfachsten Fall ist der nach außen geführte Kanal mit der Umgebungsatmosphäre verbunden. Eine Druckdifferenz zwischen der mikrofluidischen Kavität im unteren Polymersubstrat und der Kavität zwischen den Metallschichten führt zu einer Deformation der metallisierten unteren Polymermembran, welche mit Hilfe der oberen Metallschicht kapazitiv oder im Fall eines Kontakts der beiden Metallschichten resistiv detektiert werden kann. Die Metallschichten werden vorzugsweise über seitlich ausgeführte Leiterbahnen kontaktiert.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aufgrund der elektrischen Auswertung keine aufwendige externe Apparatur notwendig, um den Druck zu ermitteln, beispielsweise keine optische Auslesung. Dadurch lassen sich Kosten und Baugröße einer externen Steuer- und Ausleseeinheit deutlich reduzieren.

Die Erfindung ist zugeschnitten auf einen vielseitig für mikrofluidische Systeme einsetzbaren polymeren Schichtaufbau. Die Erfindung ermöglicht die Druckmessung direkt vor Ort. Dadurch wird vermieden, dass es durch den fluidischen Widerstand/die fluidische Kapazität eines andernfalls notwendigen Verbindungskanals bzw.

Verbindungsschlauchs zum Drucksensor zu einer Verfälschung des Messsignals kommt.

Die Erfindung lässt sich mit zusätzlichen funktionalen Elementen koppeln. So kann man beispielsweise die metallisierte untere Polymermembran gleichzeitig als Ventil oder aktives Element einer Membranpumpe nutzen und damit direkt die Ventil- bzw.

Pumpfunktion überwachen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 a)-c) schematische Ansichten zur Erläuterung einer Polymerschicht- Drucksensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1 a) in Draufsicht und Fig. 1 b) und 1 c) im Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1 a);

Fig. 2a), b) schematische Ansichten zur Erläuterung einer Polymerschicht- Drucksensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 2a) im Querschnitt entlang der Linie A-A' in Fig. 1 a) und Fig. 2b) eine Darstellung der strukturierten oberen Membranmetallisierungsschicht 7a in Fig. 2a); Fig. 3 eine schematische Aufsicht einer strukturierten unteren

Membranmetallisierungsschicht 6a zur Erläuterung einer Polymerschicht-Drucksensorvorrichtung gemäß einer dritten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer

Polymerschicht-Drucksensorvorrichtung gemäß einer vierten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche

Elemente.

Fig. 1 a)-c) sind schematische Ansichten zur Erläuterung einer Polymerschicht- Drucksensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung, und zwar Fig. 1 a) in Draufsicht und Fig. 1 b) und 1 c) im Querschnitt entlang der Linie A-A' in Fig. 1 a).

In Fig. 1 a) bis 1 c) bezeichnet Bezugszeichen 5 ein erstes Polymersubstrat mit einer ersten Kavität 8. Auf dem ersten Polymersubstrat 5 und der ersten Kavität 8 vorgesehen ist eine elastische erste Polymermembran 4, welche über die erste Kavität 8 gespannt ist und in Abhängigkeit von einem in der ersten Kavität 8 anliegenden Druck P _M auslenkbar ist. Auf der ersten Polymermembran 4 oberhalb und außerhalb der ersten Kavität 8 vorgesehen ist eine erste Membranmetallisierungsschicht 6, welche zusammen mit der ersten Polymermembran 4 in Abhängigkeit von dem in der ersten Kavität 8 anliegenden Druck P _M auslenkbar ist. Über der ersten Polymermembran 4 ist ein zweites Polymersubstrat 3 mit einer zweiten Kavität 9 angeordnet, wobei die zweite Kavität 9 über der ersten Kavität 8 angeordnet ist und wobei eine zweite Polymermembran 2 über die zweite Kavität 9 gespannt ist. Auf der zweiten Polymermembran 2 innerhalb der zweiten Kavität 9 angebracht ist eine zweite Membranmetallisierungsschicht 7. Schließlich ist ein drittes Polymersubstrat 1 auf der zweiten Polymermembran 2 angeordnet und bildet gleichsam einen oberen Deckel der Drucksensorvorrichtung.

Wie aus Fig. 1 a) ersichtlich, ist die erste Membranmetallisierungsschicht 6 über eine erste Leiterbahn 16 seitlich der Kavitäten 8, 9 anschließbar und ist die zweite

Membranmetallisierungsschicht 7 über eine zweite Leiterbahn 17 seitlich der Kavitäten 8, 9 anschließbar.

Die erste Kavität 8 ist an einem ersten und einem zweiten Druckkanal 19, 20

angeschlossen, welche im ersten Polymersubstrat 5 verlaufen.

Die zweite Kavität 9 ist an einen dritten Druckkanal 10 angeschlossen, welcher im zweiten Polymersubstrat 3 verläuft und welcher üblicherweise an einen Referenzdruck P _R angeschlossen wird, im einfachsten Fall Atmosphärendruck. Im Zustand gemäß Fig. 1 b) liegt am Druckkanal 19 und 20 derselbe Referenzdruck P _R an wie am dritten Druckkanal 10, sodass die erste Polymermembran 4 mit der darauf befindlichen ersten Membranmetallisierungsschicht 6 sich in unausgelenktem Zustand befindet. Eine Druckdifferenz ΔΡ = P _M - PR führt, wie in Fig. 1 c) angedeutet, zur

Auslenkung der unteren Polymermembran 4 mit der darauf befindlichen ersten

Membranmetallisierungsschicht 6. Die Druckdifferenz ΔΡ kann beispielsweise durch eine Messung der Kapazität zwischen den Membranmetallisierungsschichten 6, 7 bestimmt werden. Alternativ dazu kann die Höhe der zweiten Kavität 9 derart ausgelegt werden, dass es bei einer entsprechenden Druckdifferenz ΔΡ zu einer Berührung der

Membranmetallisierungsschichten 6, 7 kommt, wobei sich eine Kontaktfläche mit zunehmender Druckdifferenz ΔΡ vergrößert. Der Druck wird dann zweckmäßigerweise aus dem elektrischen Widerstand zwischen der ersten und zweiten

Membranmetallisierungsschicht 6, 7 bestimmt.

In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, ein Metall oder ein anderes Material, z.B. ein leitfähiges Polymer, eine leitfähige Paste oder Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs), z.B. mit einem hohen spezifischen Widerstand, zu verwenden, um die Anforderungen an die Auswertelektronik zu senken. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 a) bis 1 c) erfolgt die Metallisierung in beiden Kavitäten 8, 9 vollflächig.

Die nötigen Strukturen in den Polymersubstraten 1 , 3, 5 können beispielsweise durch Fräsen, Spritzguss oder Heißprägen erzeugt werden. Das Fügen des polymeren

Schichtaufbaus kann beispielsweise mittels Laserdurchstrahlschweißen,

Ultraschallschweißen oder Klebetechniken erfolgen. Die Metallisierung kann

beispielsweise durch Sputtern, Inkjet-Printing oder laserbasierten

Metallisierungstechnologien erfolgen.

Als Polymersubstrat eignen sich beispielsweise Thermoplaste, z.B. PC, PP, PE, PMMA, COP, COC usw. Als elastische Membran eignet sich Elastomer, thermoelastisches Elastomer, Thermoplaste usw. Die Metallisierung der Membranmetallisierungsschichten 6, 7 kann durch Metalle, wie z.B. Gold, Kupfer, Aluminium usw. erfolgen. Zur Erhöhung des spezifischen Widerstands können bedarfsweise jedoch auch andere Materialien, wie z.B. leitfähiges Polymer oder CNTs verwendet werden.

Beispielhafte Abmessungen beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 a) bis 1 c) sind 0,5 bis 3 mm Dicke des Polymersubstrats 1 , 3, 5 (25 bis 300 μηη Dicke der Polymermembranen 4, 2; 0,1 bis 20 μηη Dicke der Membranmetallisierungsschichten 6, 7, 1 bis 1000 μηι ³ Volumen der Kavitäten 8, 9 sowie 10 x 10 bis 100 x 100 mm ² als laterale Abmessungen des gesamten Ausführungsbeispiels).

In einer Auswertungsvariante wird lediglich die Information ausgenutzt, dass die beiden Membranmetallisierungsschichten 6, 7 in Kontakt kommen, also ein gewisser

Mindestdruck überschritten ist. Das Ausführungsbeispiel kann in diesem Fall

beispielsweise als Druckschalter funktionieren, um festzustellen, dass ein Fluid eine bestimmte Position im mikrofluidischen System erreicht hat. Vorteil dabei ist, dass die Anforderungen an die Genauigkeit der Herstellungen relaxiert sind und beispielsweise der Durchmesser der Kavitäten 8, 9 nicht sehr genau eingestellt werden muss.

Fig. 2a), b) sind schematische Ansichten zur Erläuterung einer Polymerschicht- Drucksensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung, und zwar Fig. 2a) im Querschnitt entlang der Linie A-A' in Fig. 1 a) und Fig. 2b) eine Darstellung der strukturierten oberen Membranmetallisierungsschicht 7a in Fig. 2a). Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2a), b) ist das System derart ausgelegt, dass die untere Membranmetallisierungsschicht 6 bei Auslenkung nach oben mit der speziell strukturierten oberen Membranmetallisierungsschicht 7a in Kontakt kommt. Wie aus Fig. 2b) ersichtlich, ist die obere Membranmetallisierungsschicht 7a

mäanderförmig als Leiterbahn strukturiert und weist ein erstes und zweites Ende 12, 13 auf, zwischen welchen ein Widerstand erfassbar ist. Je nach Druckunterschied ΔΡ kommt es zu einem unterschiedlich großen Kontaktbereich 1 1 zwischen der unteren

Membranmetallisierungsschicht 6 und der oberen strukturierten

Membranmetallisierungsschicht 7a und damit zu unterschiedlich großen Kurzschlüssen in der oberen Membranmetallisierungsschicht 7a. So kann die Auslenkung der

Polymermembran 6 über eine Widerstandsänderung zwischen den Enden 12, 13 der oberen strukturierten Membranmetallisierungsschicht 7a erfasst werden, was deutlich geringere Anforderungen an eine externe Auswerteelektronik stellt als eine kapazitive Auswertung.

Fig. 3 ist eine schematische Aufsicht einer strukturierten unteren

Membranmetallisierungsschicht 6a zur Erläuterung einer Polymerschicht- Drucksensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung.

Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird die untere Polymermembran 4 nicht vollflächig metallisiert, sondern ein zentraler Metallisierungsbereich 6a vorgesehen, der durch mindestens eine Entlastungsstruktur 14 an periphere Metallisierungsbereiche 13a, 13b elastisch angebunden ist. In Fig. 3 ist der freischwebende Bereich der ersten

Polymermembran 4 straffiert dargestellt. Der Vorteil dieser dritten Ausführungsform besteht darin, dass durch einen Verzicht auf die vollflächige Metallisierung der ersten Polymermembran 4 eine Erhöhung der Flexibilität der ersten Polymermembran 4 erzielt wird und kleinere Druckdifferenzen detektiert werden können. Im Vergleich zu einer gradlinigen Anbindung der Membranmetallisierung 6a wird die Empfindlichkeit durch die Entlastungsstrukturen 14 zusätzlich erhöht, da sich diese leichter dehnen und stauchen lassen. Zusätzlich ergeben sich durch die Geometrie der Entlastungsstrukturen 14 Rückstellkräfte, sodass im Fall einer Auslenkung nach oben keine feste Verbindung zwischen der ersten Polymermembran 4 und der Metallisierung 6a nötig ist. Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer Polymerschicht- Drucksensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 zeigt eine Kombination der erfindungsgemäßen Polymerschichtsystem-Drucksensorvorrichtung nach Fig. 1 a) bis c) mit einem aus der DE 10 2008 002 336 A1 an sich bekannten Quetschventil.

Bei dieser Ausführungsform weist das erste Polymersubstrat 5a zwei Teilkavitäten 8a, 8b auf, welche durch einen Steg 16a getrennt sind, über den die erste Polymermembran 4 mit der ersten Membranmetallisierungsschicht 6 gespannt ist. Durch diesen Aufbau lässt sich die Funktion des Quetschventils mit einer elektrischen Auswertung in Echtzeit überwachen und so Fehlfunktionen, wie z.B. Verstopfung, frühzeitig erkennen. Der Druckkanal 10 kann in diesem Fall beispielsweise dazu benutzt werden, das

Quetschventil über einen externen Druck P _R zu steuern.

Auf analoger Weise kann auch der Verdrängungskanal einer Membranpumpe nach dem gezeigten erfindungsgemäßen Prinzip ausgestattet werden. Zusätzlich zur reinen Funktionskontrolle kann in diesem Falle aus der Auslenkung der ersten Polymermembran auch die Pumprate in Echtzeit überwacht und bestimmt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.