DE102012221835B3

DE102012221835B3 - Normal-closed non-return valve for micro-fluidic component e.g. micro-pump of polymeric layer system e.g. lab-on-chip system, has seal surface formed between intake and increased roughness surface of valve element to close main portion

Info

Publication number: DE102012221835B3
Application number: DE201210221835
Authority: DE
Inventors: Arne Dannenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2032-11-30

Abstract

The valve (200) has a polymer film (40) arranged between two polymer layers (10,30). A connection region is provided in inner deformability margin, to connect polymer film with polymer layers. A deformable valve element (70) is provided in intake (50). A valve chamber (60) is formed between outlet (20) and intake with predetermined valve chamber height. The valve element is pointed in valve chamber and provided with surface (45) with increased roughness. A closed seal surface is formed between intake and increased roughness surface to close valve main portion in check direction. An independent claim is included for method for manufacturing normal-closed non-return valve.

Description

Stand der TechnikState of the art

Miniaturisierte Rückschlagventile finden unter anderem Anwendung in Mikropumpen und Lab-on-Chip-Systemen (LOC).Miniaturized check valves are used in micropumps and lab-on-chip (LOC) systems.

Um eine möglichst geringe Leckrate in Sperrrichtung zu erreichen, wird der Ventilkopf (bewegliche Dichtfläche) des Rückschlagventils für gewöhnlich unter eine Vorspannung gesetzt, so dass dieser – auch wenn keine Druckdifferenz am Ventil anliegt – bereits mit einer definierten Kraft auf den Ventilsitz (unbewegliche Dichtfläche) gedrückt ist. Derartige Rückschlagventile werden daher als normal-geschlossen bezeichnet und gegebenenfalls mit einem Öffnungsdruck charakterisiert. Zum Erreichen der Vorspannung ist aus dem Stand der Technik bereits eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten bekannt.In order to achieve the lowest possible leakage rate in the reverse direction, the valve head (movable sealing surface) of the check valve is usually placed under a bias, so that this - even if no pressure difference is applied to the valve - already with a defined force on the valve seat (immovable sealing surface) is pressed. Such check valves are therefore referred to as normally closed and optionally characterized with an opening pressure. To achieve the bias is already known from the prior art a variety of possible solutions.

Die bekannten Lösungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass, um den Ventilkopf unter Vorspannung zu setzen, auf dem eigentlichen Ventilsitz eine zusätzliche Schicht aufgebracht wird, die den Ventilkopf aus seiner Ruhelage auslenkt und auf diese Weise unter Vorspannung setzt. Das Aufbringen dieser zusätzlichen Schicht erfordert eine zusätzliche Folge von Prozessschritten, die je nach dem eingesetzten Verfahren entsprechend aufwändig sein können (zum Beispiel Schichtabscheidung, Belackung, Belichtung, Entwicklung, Strukturierung, Entlackung). Dies alles erhöht entsprechend die Herstellungskosten.However, the known solutions have the disadvantage that in order to set the valve head under bias, an additional layer is applied to the actual valve seat, which deflects the valve head from its rest position and in this way puts under bias. The application of this additional layer requires an additional sequence of process steps, which can be correspondingly complex depending on the method used (for example, layer deposition, lacquering, exposure, development, structuring, paint stripping). All this increases accordingly the production costs.

Die nach dem Stand der Technik verwandten Strukturen, welche mittels kostengünstigeren Verfahren als der Standard-Siliziummikrosystemtechnik hergestellt wurden, weisen jedoch ebenfalls Nachteile aufgrund der verwendeten Fertigungsverfahren auf. Mikrostanzen, Laserstrukturierung und ähnliches zum Herstellen des Ventilkopfes führen zu Imperfektionen an den Strukturierungsrändern (Grate, Materialredeposition, Verlust der Planarität aufgrund eingebrachter Spannungen). Diese können das planare Aufliegen des Ventilkopfes auf der Dichtfläche mit der Folge verhindern, dass eine erhöhte Leckrate in Sperrrichtung auftritt. Ebenso verwenden die Ventile für gewöhnlich ein Durchgangsloch in der Dichtfläche, dessen Herstellung mittels Fräsen oder Spritzgießen wiederum die Gefahr von Graten, und somit von Leckagen, mit sich bringt.However, the prior art related structures made by more cost effective methods than the standard silicon microsystem technology also suffer from disadvantages due to the manufacturing techniques used. Micro-punching, laser structuring and the like for making the valve head lead to imperfections on the structuring edges (burrs, material reduction, loss of planarity due to introduced stresses). These can prevent the planar seating of the valve head on the sealing surface with the result that an increased leakage rate occurs in the reverse direction. Likewise, the valves usually use a through hole in the sealing surface, the production of which by means of milling or injection molding again entails the risk of burrs, and thus of leaks.

Die US 2006/0076068 A1 beschreibt eine mikrofluidische Vorrichtung für biologisches Material mit einer Ventilstruktur, wobei der Ventilkopf jedoch keine Vorspannung aufweist. Stattdessen wird ein Diaphragma mit einem Durchgangsloch eingesetzt, welches per Laserablation eingebracht wird, welche zum Beispiel durch Materialredeposition, wiederum zu Leckagen führen kann.The US 2006/0076068 A1 describes a microfluidic device for biological material with a valve structure, but the valve head has no bias. Instead, a diaphragm with a through hole is inserted, which is introduced by laser ablation, which, for example, by Materialredeposition, in turn can lead to leaks.

WO 02/068823 A1 zeigt eine mikrofluidische Steuerungsvorrichtung für Fluide, bei welcher eine flexible Membran mit einer oberhalb und unterhalb der flexiblen Membran angeordneten Schicht verbunden ist, und eine Öffnung aufweist, welche in der Ruhelage der mikrofluidischen Steuerungsvorrichtung im Bereich eines Ventilsitz angeordnet ist. WO 02/068823 A1 shows a microfluidic control device for fluids, in which a flexible membrane is connected to a layer arranged above and below the flexible membrane, and has an opening which is arranged in the rest position of the microfluidic control device in the region of a valve seat.

US 5 259 737 A offenbart eine Mikropumpe zum Pumpen von Flüssigkeit von einem Eingangskanal zu einem Ausgangskanal. Die Mikropumpe weist erste und zweite Kammern und eine Strömungskanaleinrichtung, welche zwischen den beiden Kammern verbunden ist, sowie ein Ventil auf, welches zwischen dem Eingangskanal und der ersten Kammer gekoppelt ist. Das Ventil umfasst eine flexible Ventilmembran, welche näher an einer zweiten Seite eines Halbleitersubstrats als auf seiner ersten Seite positioniert ist, damit das Ventil in Kontakt mit der zweiten Seite des Halbleitersubstrats ist oder nicht. Darüber hinaus enthält die Mikropumpe eine Membran, welche Teil einer flexiblen Wand der zweiten Kammer ist, und näher an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats als der ersten Seite positioniert ist. US 5 259 737 A discloses a micropump for pumping fluid from an input port to an output port. The micropump has first and second chambers and flow channel means connected between the two chambers and a valve coupled between the input channel and the first chamber. The valve includes a flexible valve diaphragm positioned closer to a second side of a semiconductor substrate than on its first side for the valve to be in contact with the second side of the semiconductor substrate or not. In addition, the micropump includes a diaphragm which is part of a flexible wall of the second chamber and positioned closer to the second side of the semiconductor substrate than the first side.

US 2010/0137784 A1 offenbart ein Einweg-Ventil, welches einen Sitz und eine Membran mit einem inneren Abschnitt aufweist, welcher über den Sitz gestreckt wird, wobei im Betrieb der innere Membranabschnitt selektiv aus dem Sitz derart ausgelenkt wird, dass eine Fluidbahn von der einen Seite der Membran zu der anderen erzeugt wird, um somit das Ventil zu öffnen, und wobei ein äußerer Umfangsabschnitt der Membran steifer als der innere Membranabschnitt ist, so dass die Auslenkung der Membran im Wesentlichen nur auf den inneren Abschnitt beschränkt ist. US 2010/0137784 A1 discloses a one-way valve having a seat and a membrane with an inner portion that is stretched across the seat, wherein in use, the inner membrane portion is selectively deflected out of the seat such that a fluid path from one side of the membrane to the other another is generated so as to open the valve, and wherein an outer peripheral portion of the diaphragm is stiffer than the inner diaphragm portion, so that the deflection of the diaphragm is substantially limited only to the inner portion.

DE 693 13 766 T2 zeigt eine Milkrofluidsteuervorrichtung mit drei Substraten, die in einer Mehrschichtanordnung durch ein anodisches Verbindungsverfahren verbunden sind, wobei die drei Substrate ein oberes Substrat, ein mittleres Substrat und ein unteres Substrat sind, das mittlere Substrat einen Ventilfilm aufweist, welcher einen einlassseitigen Raum, der zwischen dem oberen und unteren Substrat gebildet ist, in eine obere Kammer und eine untere Kammer trennt, wobei der Ventilfilm einen zylindrischen Ventilteil zum Verbinden oder Sperren der oberen Kammer bezüglich der unteren Kammer entsprechend der Aufwärts- und Abwärtsverformung des Ventilfilms aufweist, und wobei das Verhältnis der Dicke t2 der oberen Kammer zur Dicke t1 der unteren Kammer so gewählt ist, dass es im Bereich t2/t1 = 0,2 bis 5,0 liegt, wobei das obere Substrat und das mittlere Substrat durch einen Stufenteil verbunden sind, um die Dicke der oberen Kammer zu verringern. DE 693 13 766 T2 FIG. 3 shows a milk fluid control device having three substrates connected in a multilayer arrangement by an anodic bonding method, the three substrates being an upper substrate, a middle substrate, and a lower substrate, the middle substrate having a valve film having an inlet side space interposed between the substrate upper and lower substrates, the valve film having a cylindrical valve member for connecting or locking the upper chamber with respect to the lower chamber in accordance with the upward and downward deformation of the valve film, and wherein the ratio of the thickness t2 of the upper chamber to the thickness t1 of the lower chamber is set to be in the range t2 / t1 = 0.2 to 5.0, wherein the upper substrate and the middle substrate are connected by a step portion to the thickness of the upper Reduce the chamber.

J. Han et. Al.; „Micro-fabricated membran gas valves with a non-stiction coating deposited by C4F8/Ar plasma”, Journal of Micromech. Microeng., Vol. 18, 2008, S. 1–9, offenbart ein Mikro-Gasventil mit einer integrierten nicht-haftenden Beschichtung, welches eine Polyimid-Membran verwendet, welche für eine große Auslenkung bei einem bestimmten Druck sorgt. Um eine geringe Leckrate zu erreichen, benötigt ein passives Ventil eine enge Abdichtung zwischen der Membran und dem Ventilsitz. Ein Film wird durch C4Fg/Ar Plasma in ICP/DRIE in die Ventilsitzfläche während der Herstellung integriert, und somit die Ventilhaftung reduziert. J. Han et. al .; "Micro-fabricated membrane gas valves with a non-stiction coating deposited by C4F8 / Ar plasma", Journal of Micromech. Microeng., Vol. 18, 2008, pages 1-9, discloses a micro-gas valve with an integrated non-stick coating using a polyimide membrane which provides a large deflection at a given pressure. To achieve a low leak rate, a passive valve requires a tight seal between the diaphragm and the valve seat. A film is integrated into the valve seat surface during manufacture by C4Fg / Ar plasma in ICP / DRIE, thus reducing valve adherence.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das in dem Anspruch 1 definierte normal-geschlossene Rückschlagventil für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem sowie das nach Anspruch 9 definierte Verfahren zum Herstellen des normal-geschlossenen Rückschlagventils für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem weist gegenüber herkömmlichen Lösungen den Vorteil auf, dass die Auslenkung des Ventilkopfs unter Ausnutzung der Oberflächenrauigkeit zwischen der ersten Polymerschicht und einer darauf angeordneten Polymerfolie entsteht, wobei letztere u. a. den Ventilkopf bildet. Die Auslenkung des Ventilkopfs erfolgt dabei bereits in der Ruhelage des Ventils von der ersten Polymerschicht weg, durch die Ventilkammer hindurch und bis zum Dichtsitz, so dass zudem eine Anpresskraft bzw. eine Vorspannung des Ventilkopfs an den Dichtsitz vorhanden ist, womit ein normal-geschlossenes Rückschlagventil realisiert ist. In vorteilhafter Weise kann somit bei dem erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventil gegenüber den bekannten normal-geschlossenen Rückschlagventilen das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht zum Vorspannen des elastisch verformbaren Ventilelements entfallen. Die Vorspannung des Ventilkopfs sorgt in vorteilhafter Weise für sehr geringe bis keine Leckraten in Sperrrichtung des Rückschlagventils. Vorzugsweise sind die Polymerschichten starr ausgebildet, während das Ventilelement elastisch verformbar ist.The defined in claim 1 normally closed check valve for microfluidic components of a polymeric layer system and the method defined in claim 9 for producing the normally-closed check valve for microfluidic components of a polymeric layer system has the advantage over conventional solutions that the deflection of the Valve head is taking advantage of the surface roughness between the first polymer layer and a polymer film arranged thereon, the latter u. a. forms the valve head. The deflection of the valve head takes place already in the rest position of the valve away from the first polymer layer, through the valve chamber and to the sealing seat, so that in addition a contact pressure or a bias of the valve head is present at the sealing seat, whereby a normally-closed check valve is realized. Advantageously, therefore, the application of an additional layer for biasing the elastically deformable valve element can be omitted in the normal-closed check valve according to the invention over the known normally-closed check valves. The bias of the valve head provides advantageously for very low to no leakage rates in the reverse direction of the check valve. Preferably, the polymer layers are rigid, while the valve element is elastically deformable.

Zusätzlich dazu ist aufgrund des Entfalls von kostenintensiven Strukturen in Siliziumtechnik der Einsatz von kostengünstigen, massenfertigungstauglichen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventils möglich, da bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren Polymere in einem Schichtsystem zum Einsatz kommen. Die geringeren Herstellungskosten erlauben in vorteilhafter Weise den Einsatz des erfindungsgemäßen Rückschlagventils bei Produkten, die zum einmaligen Gebrauch vorgesehen sind.In addition, due to the elimination of costly structures in silicon technology, the use of cost-effective, mass production suitable method for producing the normally-closed check valve according to the invention is possible, since polymers are used in a layer system in the manufacturing process of the invention. The lower manufacturing costs allow advantageously the use of the check valve according to the invention in products that are intended for single use.

Des Weiteren wird in vorteilhafter Weise eine Ermüdung des Rückschlagventils durch plastische Verformung bei zu hoher Auslenkung des verformbaren Ventilelements aufgrund der Verwendung eines definierten Anschlags für die Polymerfolie vermieden.Furthermore, a fatigue of the check valve is avoided by plastic deformation at too high deflection of the deformable valve element due to the use of a defined stop for the polymer film in an advantageous manner.

Schließlich weist das erfindungsgemäße normal-geschlossene Rückschlagventil für mikrofluidische Bauteile nur ein geringes Totvolumen auf, wodurch sehr kurze Ansprechzeiten erzielt werden können.Finally, the normally-closed check valve according to the invention for microfluidic components has only a small dead volume, whereby very short response times can be achieved.

Bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil kann die Oberfläche der ersten Polymerschicht oder des verformbaren Ventilelements mit der vorbestimmten Oberflächenrauigkeit strukturiert sein. Somit kann die Oberflächenrauigkeit der ersten Polymerschicht oder des verformbaren Ventilelements gezielt erhöht werden, wodurch die Vorspannung des verformbaren Ventilelements einstellbar ist. Als Vertreter für eine strukturierte Oberfläche können beispielsweise Noppen genannt werden, welche eine definierte Oberflächenstruktur und Oberflächenrauigkeit aufweisen.In the check valve according to the invention, the surface of the first polymer layer or of the deformable valve element can be structured with the predetermined surface roughness. Thus, the surface roughness of the first polymer layer or the deformable valve element can be selectively increased, whereby the bias of the deformable valve element is adjustable. As a representative of a structured surface, for example, nubs may be mentioned, which have a defined surface structure and surface roughness.

Bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil kann das verformbare Ventilelement in der Ruhestellung des Rückschlagventils um einen Betrag gegenüber der Oberfläche der Polymerfolie ausgelenkt sein, und dieser Betrag ist größer als die vorbestimmte Ventilkammerhöhe. Auf diese Weise wird auf der einen Seite eine Vorspannung und dadurch ein normalgeschlossenes Rückschlagventil realisiert. Auf der anderen Seite wird ein definierter Anschlag für das durch die Oberflächenrauigkeit vorgespannte verformbare Ventilelement an der Ventilkammer gebildet, wodurch die Auslenkung des verformbaren Ventilelements in der Durchlassrichtung des Rückschlagventils begrenzt wird. Der Betrag der Auslenkung des verformbaren Ventilelements gegenüber der Oberfläche der Polymerfolie kann zum Beispiel 15 μm betragen.In the check valve according to the invention, the deformable valve element may be deflected in the rest position of the check valve by an amount relative to the surface of the polymer film, and this amount is greater than the predetermined valve chamber height. In this way, on the one hand, a bias and thus a normally closed check valve is realized. On the other hand, a defined stop for the deformable by the surface roughness deformable valve element is formed on the valve chamber, whereby the deflection of the deformable valve element in the passage direction of the check valve is limited. The amount of deflection of the deformable valve element relative to the surface of the polymer film may be, for example, 15 μm.

Bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil kann die Ventilkammer in der zweiten Polymerschicht ausgebildet sein. Hierbei kann die Ventilkammer als eine Aussparung mit einer vorbestimmten Form ausgebildet sein.In the check valve according to the invention, the valve chamber may be formed in the second polymer layer. Here, the valve chamber may be formed as a recess having a predetermined shape.

Bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil kann der Auslass aus der Ventilkammer im Wesentlichen vertikal ausgebildet sein. Somit kann der Auslass durch ein einfaches, kurzes und kostengünstiges Herstellungsverfahren erzeugt werden.In the check valve according to the invention, the outlet from the valve chamber may be formed substantially vertically. Thus, the outlet can be produced by a simple, short and inexpensive manufacturing process.

Bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil kann die Ventilkammer im Bereich einer dritten Polymerschicht oder einer zweiten Polymerfolie ausgebildet sein, welche zwischen der Polymerfolie und der zweiten Polymerschicht angeordnet ist. Hierbei sorgt die dritte Polymerschicht oder die zweite Polymerfolie für die Überbrückung der Ventilkammerhöhe zu der Polymerfolie hin und weist die Ventilkammer auf.In the check valve according to the invention, the valve chamber may be formed in the region of a third polymer layer or a second polymer film, which is arranged between the polymer film and the second polymer layer. in this connection the third polymer layer or the second polymer film ensures the bridging of the valve chamber height to the polymer film and has the valve chamber.

Bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil kann der Einlass in der Form eines Durchgangslochs durch die zweite Polymerschicht ausgebildet sein. Somit kann der Einlass durch ein einfaches, kurzes und kostengünstiges Herstellungsverfahren erzeugt werden.In the check valve according to the invention, the inlet may be formed in the form of a through-hole through the second polymer layer. Thus, the inlet can be produced by a simple, short and inexpensive manufacturing process.

Bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil kann der Auslass in der Form eines Kanals ausgebildet sein, welcher sich in einer seitlichen Richtung in der ersten Polymerschicht erstreckt. Je nach Anwendungsfall kann das Auslass somit auch an einer Seite des erfindungsgemäßen Rückschlagventils aus diesem heraustreten. Alternativ dazu kann der Auslass in der Form eines Kanals ausgebildet sein, welcher sich, bevorzugt in einer seitlichen Richtung, in der Polymerfolie erstreckt.In the check valve of the present invention, the outlet may be formed in the shape of a channel extending in a lateral direction in the first polymer layer. Depending on the application, the outlet can thus emerge from one side of the check valve according to the invention from this. Alternatively, the outlet may be in the form of a channel which extends in the polymer film, preferably in a lateral direction.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des normal-geschlossenen Rückschlagventils kann der Schritt des Strukturierens der Oberfläche der ersten Polymerschicht oder der Polymerfolie vor dem Verbinden der Polymerfolie mit der ersten Polymerschicht vorgesehen sein. Hierbei kann die Oberflächenrauigkeit der Oberfläche der ersten Polymerschicht oder der Polymerfolie gezielt verändert werden. Zum Strukturieren der Oberfläche der ersten Polymerschicht oder der Polymerfolie kann zum Beispiel ein laser-basiertes Verfahren eingesetzt werden.In the method of manufacturing the normally-closed check valve of the present invention, the step of patterning the surface of the first polymer layer or the polymer film may be provided prior to bonding the polymer film to the first polymer layer. Here, the surface roughness of the surface of the first polymer layer or the polymer film can be selectively changed. For structuring the surface of the first polymer layer or the polymer film, for example, a laser-based method can be used.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Ausbilden eines Durchlass in dem Verformungsbereich der Polymerfolie durch Ablation mit Hilfe eines Laser-basierten Verfahrens erfolgen.In the method according to the invention, the formation of a passage in the deformation region of the polymer film can be effected by ablation with the aid of a laser-based method.

Die Polymerschichten können beispielsweise durch Spritzgießen, Spritzprägen, Heißprägen, Laserschneiden, Fräsen oder Stanzen hergestellt werden. Des Weiteren kann zum Fügen der einzelnen Schichten bzw. Folien des normal-geschlossenen Rückschlagventils vorzugsweise Laserschweißen eingesetzt werden, wobei auch andere geeignete Fügeverfahren verwendet werden können, welche die Oberflächenrauigkeit beim Fügen lokal signifikant erniedrigen, wie zum Beispiel Ultraschallschweißen oder Lösungsmittelbonden. Zusätzlich dazu kann die zweite Polymerschicht mittels Kleben gefügt werden.The polymer layers can be produced for example by injection molding, injection compression, hot stamping, laser cutting, milling or punching. Furthermore, laser welding can preferably be used to join the individual layers or films of the normally-closed check valve, whereby other suitable joining methods can be used which locally significantly reduce the surface roughness during joining, such as, for example, ultrasonic welding or solvent bonding. In addition, the second polymer layer can be pasted by gluing.

Die Polymerschichten bestehen vorzugsweise aus Thermoplasten, wie zum Beispiel PC, PP, PE, PMMA, COP, COC. Die Polymerfolien können aus einem Elastomer, einem thermoplastischen Elastomer oder einem Thermoplasten gebildet werden.The polymer layers are preferably made of thermoplastics such as PC, PP, PE, PMMA, COP, COC. The polymer films may be formed of an elastomer, a thermoplastic elastomer or a thermoplastic.

Die Dicke der Polymerschicht kann vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 10 mm betragen. Die Dicke der Polymerfolie kann vorzugsweise zwischen 50 μm und 300 μm betragen. Die Höhe der Ventilkammer kann vorzugsweise zwischen 5 μm und 50 μm betragen. Der Durchmesser der Ventilkammer kann vorzugsweise zwischen 200 μm und 2000 μm betragen. Der Durchmesser des Durchlass durch die Polymerfolie kann vorzugsweise zwischen 10 μm und 300 μm betragen.The thickness of the polymer layer may preferably be between 0.1 mm and 10 mm. The thickness of the polymer film may preferably be between 50 μm and 300 μm. The height of the valve chamber may preferably be between 5 .mu.m and 50 .mu.m. The diameter of the valve chamber may preferably be between 200 μm and 2000 μm. The diameter of the passage through the polymer film may preferably be between 10 μm and 300 μm.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erklärt. Es zeigt dabeiThe present invention will be explained with reference to the accompanying drawings. It shows

1A–1C: eine schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventils für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem, 1A - 1C FIG. 2: a schematic representation of the functioning of the normally closed check valve according to the invention for microfluidic components made of a polymer layer system, FIG.

2: eine Seitenansicht einer Ausgangssituation für die Herstellung des erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventils für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem, 2 FIG. 2 shows a side view of a starting situation for the production of the normally closed check valve according to the invention for microfluidic components from a polymer layer system, FIG.

3: eine Draufsicht auf unterschiedliche Fügebereiche für die Polymerfolie bei der Herstellung des erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventils für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem gemäß 1, 3 FIG. 2 shows a plan view of different joining regions for the polymer film in the production of the normally closed check valve according to the invention for microfluidic components from a polymer layer system according to FIG 1 .

4: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventils für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem entlang der Linie A-A gemäß 3 nach dem Fügen der Polymerfolie, und 4 FIG. 2: a sectional view of a normally closed check valve according to the invention for microfluidic components made of a polymeric layer system along the line AA according to FIG 3 after joining the polymer film, and

5: eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes normal-geschlossenes Rückschlagventil für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem. 5 FIG. 2: a sectional view of a second exemplary embodiment of a normally closed check valve for microfluidic components made of a polymer layer system.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1A–1C zeigen eine schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventils 200 für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem. Das Schichtsystem für das normal-geschlossene Rückschlagventil 200 besteht aus einer ersten Polymerschicht 10 als einer starren Bodenplatte und einer zweiten Polymerschicht 30 als einer starren Deckelplatte, zwischen denen eine Polymerfolie 40 als eine flexible Ventilmembran aufgebracht ist. Die erste Polymerschicht 10 weist eine glatte Oberfläche auf. In der zweiten Polymerschicht 30 wird mit Hilfe einer Aussparung eine Ventilkammer 60 gebildet, welche mit einem Einlass 50 verbunden ist, der sich durch die zweite Polymerschicht 30 erstreckt. Die Polymerfolie 40 weist einen Durchlass 80 auf, welcher sich durch die gesamte Dicke der Polymerfolie 40 in vertikaler Richtung erstreckt. Die erste Polymerschicht 10 weist im Bereich eines Endes einen Auslass 20 auf, welcher in der Art eines horizontal verlaufenden Kanals ausgebildet ist und sich bis in den Bereich des Durchlass 80 erstreckt. 1A - 1C show a schematic representation of the operation of the normally-closed check valve according to the invention 200 for microfluidic components made of a polymeric layer system. The layer system for the normally-closed check valve 200 consists of a first polymer layer 10 as a rigid bottom plate and a second polymer layer 30 as a rigid cover plate between which a polymer film 40 is applied as a flexible valve membrane. The first polymer layer 10 has a smooth surface. In the second polymer layer 30 becomes a valve chamber with the help of a recess 60 formed, which with an inlet 50 connected through the second polymer layer 30 extends. The polymer film 40 has a passage 80 which extends through the entire thickness of the polymer film 40 extends in the vertical direction. The first polymer layer 10 has an outlet in the area of one end 20 on, which is formed in the manner of a horizontally extending channel and extends into the region of the passage 80 extends.

Die Polymerfolie 40 ist mit den beiden Polymerschichten 10, 30 derart gefügt, dass sie auf der einen Seite die Ventilkammer 60 seitlich abdichtet, und auf der anderen Seite im Inneren der Ventilkammer 60 ein elastisch verformbares Ventilelement 70 als einen Ventilkopf bildet, welcher elastisch verformbar und beweglich ist. Die Polymerfolie 40 weist im Bereich des elastisch verformbaren Ventilelements 70 auf der Seite eine glatte Oberfläche 46 auf, welche in Richtung zu der zweiten Polymerschicht 30 zeigt. Auf der gegenüber liegenden Oberfläche 45 des verformbaren Ventilelements 70 weist dieses eine Oberfläche mit erhöhter Rauigkeit auf. Durch die Aufwölbung des verformbaren Ventilelements 70, welche durch die Oberfläche mit erhöhter Rauigkeit 45 entsteht, wird das verformbare Ventilelement 70 auf eine planare Oberfläche 65 der zweiten Polymerschicht 30 gedrückt und bildet dabei eine geschlossene Dichtfläche, welche sowohl in der Ruhelage als auch in der Sperrrichtung des normal-geschlossenen Rückschlagventils 200 ein Medium (nicht dargestellt) im Einlass 50 trotz des Durchlass 80 von dem Auslass 20 trennt.The polymer film 40 is with the two polymer layers 10 . 30 so joined that they on the one hand the valve chamber 60 laterally seals, and on the other side inside the valve chamber 60 an elastically deformable valve element 70 forms as a valve head, which is elastically deformable and movable. The polymer film 40 points in the region of the elastically deformable valve element 70 a smooth surface on the side 46 which is towards the second polymer layer 30 shows. On the opposite surface 45 the deformable valve element 70 this has a surface with increased roughness. Due to the bulge of the deformable valve element 70 passing through the surface with increased roughness 45 arises, the deformable valve element 70 on a planar surface 65 the second polymer layer 30 and thereby forms a closed sealing surface, which in both the rest position and in the reverse direction of the normally-closed check valve 200 a medium (not shown) in the inlet 50 despite the passage 80 from the outlet 20 separates.

1A zeigt in einer vergrößerten Ansicht die Ruhelage des erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventils 200. In der Ruhelage wirkt am Einlass 50 ein gleich großer Druck wie am Auslass 20. Wie oben beschrieben, drückt das verformbare Ventilelement 70 aufgrund seiner Aufwölbung gegen die planare Oberfläche 65 der zweiten Polymerschicht 30 und bildet auf diese Weise die geschlossene Dichtfläche. 1A shows in an enlarged view the rest position of the normally-closed check valve according to the invention 200 , In the rest position acts at the inlet 50 the same pressure as at the outlet 20 , As described above, the deformable valve element pushes 70 due to its bulge against the planar surface 65 the second polymer layer 30 and thus forms the closed sealing surface.

1B zeigt eine vergrößerte Ansicht der Sperrrichtung für das erfindungsgemäße normal-geschlossene Rückschlagventil 200. In der Sperrrichtung liegt am Auslass 20 ein höherer Druck als am Einlass 50 an. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen Auslass 20 und Einlass 50 wird das verformbare Ventilelement 70 noch stärker auf die planare Oberfläche 65 der Ventilkammer 80 gedrückt, so dass ein Durchströmen in Richtung zu dem Einlass 50 verhindert wird. 1B shows an enlarged view of the reverse direction for the normal-closed check valve according to the invention 200 , In the reverse direction is located at the outlet 20 a higher pressure than at the inlet 50 at. Due to the pressure difference between outlet 20 and inlet 50 becomes the deformable valve element 70 even stronger on the planar surface 65 the valve chamber 80 pressed, allowing a flow towards the inlet 50 is prevented.

1C zeigt eine vergrößerte Ansicht der Durchlassrichtung für das erfindungsgemäße normal-geschlossene Rückschlagventil 200. In der Durchlassrichtung liegt am Einlass 50 ein höherer Druck als am Auslass 20 an. Das am Einlass 50 wirkende Medium (vereinfacht als Pfeil dargestellt) drückt das verformbare Ventilelement 70, entgegen der in dem verformbaren Ventilelement 70 wirkenden Vorspannung, in Richtung zu der Oberfläche der ersten Polymerschicht 10, so dass durch einen Ventilspalt 75 in der Ventilkammer 60 das Medium in Richtung zu dem Auslass 20 fließen kann. Bei (sehr) hohen Drücken in Sperrrichtung dient die zweite Polymerschicht 30 als ein Anschlag für die Auslenkung des verformbaren Ventilelements 70, so dass deren plastische Verformung, und somit ein möglicher Funktionsverlust, effektiv vermieden wird. 1C shows an enlarged view of the passage direction for the normal-closed check valve according to the invention 200 , In the passage direction is located at the inlet 50 a higher pressure than at the outlet 20 at. That at the inlet 50 acting medium (simplified as arrow) presses the deformable valve element 70 , opposite to the deformable valve element 70 acting bias, towards the surface of the first polymer layer 10 so that through a valve gap 75 in the valve chamber 60 the medium towards the outlet 20 can flow. At (very) high pressures in the reverse direction, the second polymer layer is used 30 as a stop for the deflection of the deformable valve element 70 , so that their plastic deformation, and thus a possible loss of function, is effectively avoided.

2 zeigt eine Seitenansicht einer Ausgangssituation für die Herstellung des erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventils für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem. Zunächst wird eine erste Polymerschicht 10 bereitgestellt, welche einen Auslass 20 aufweist, welcher sich in vertikaler Richtung durch die gesamte Dicke der ersten Polymerschicht 10 erstreckt. Die Oberfläche der ersten Polymerschicht 10 ist dabei glatt, d. h. sie weist eine geringe bis sehr geringe Oberflächenrauigkeit auf. Über der ersten Polymerschicht 10 wird eine Polymerfolie 40 platziert, welche einen Durchlass 80 in der Art eines Durchgangslochs aufweist, dessen Durchmesser geringer als der Durchmesser des Auslass 20 ist. In einer weiteren Ausführungsform kann der Durchmesser des Durchlass 80 gleich groß oder größer als der Durchmesser des Auslass 20 sein. Die Polymerfolie 40 weist eine erste Oberfläche 45 auf, welche zu der Oberfläche der ersten Polymerschicht 10 weist und eine erhöhte Oberflächenrauigkeit aufweist. Auf der gegenüber liegenden Oberfläche 46 der Polymerfolie 40 weist diese eine glatte Oberfläche auf. 2 shows a side view of a starting situation for the production of the normal-closed check valve according to the invention for microfluidic components of a polymeric layer system. First, a first polymer layer 10 provided, which has an outlet 20 which extends in the vertical direction through the entire thickness of the first polymer layer 10 extends. The surface of the first polymer layer 10 is smooth, ie it has a low to very low surface roughness. Over the first polymer layer 10 becomes a polymer film 40 placed, which has a passage 80 in the manner of a through hole whose diameter is smaller than the diameter of the outlet 20 is. In a further embodiment, the diameter of the passage 80 equal to or greater than the diameter of the outlet 20 be. The polymer film 40 has a first surface 45 which leads to the surface of the first polymer layer 10 has and has an increased surface roughness. On the opposite surface 46 the polymer film 40 this has a smooth surface.

3 zeigt eine Draufsicht auf unterschiedliche Fügebereiche für die Polymerfolie 40 bei der Herstellung des erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventils für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem gemäß 1. Dabei wird während des Fügens der Polymerfolie 40 auf der ersten Polymerschicht (nicht dargestellt) ein Verbindungsbereich 110 mit einer vorbestimmten Form und ein von dem Verbindungsbereich 110 innenliegender unverbundener Verformungsbereich 120 gebildet. Das Fügen der Polymerfolie 40 erfolgt bevorzugt mittels Laserschweißen. 3 shows a plan view of different joining areas for the polymer film 40 in the production of the normal-closed check valve according to the invention for microfluidic components of a polymeric layer system according to 1 , During the joining of the polymer film 40 on the first polymer layer (not shown) a connecting region 110 with a predetermined shape and one of the connection area 110 internal unconnected deformation area 120 educated. The joining of the polymer film 40 takes place preferably by means of laser welding.

4 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen normal-geschlossenen Rückschlagventils für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem entlang der Linie A-A gemäß 3 nach dem Fügen der Polymerfolie 40. Im Bereich des Verbindungsbereichs 110 ist die Oberfläche der Polymerfolie 40 nach dem Fügen glatt, während die der ersten Polymerschicht 10 zugewandte Oberfläche der Polymerfolie 40 im Verformungsbereich 120 weiterhin die erhöhte Rauigkeit aufweist. Auf diese Weise wird eine Aufwölbung Δz der Oberfläche des Verformungsbereichs 120, speziell der Oberfläche des verformbaren Ventilelements 70, gegenüber der Oberfläche des Verbindungsbereichs 110 erzielt. Die Aufwölbung Δz sorgt für eine Vorspannung des elastisch verformbaren Ventilelements 70. 4 shows a sectional view of a normal-closed check valve according to the invention for microfluidic components of a polymeric layer system along the line AA according to 3 after joining the polymer film 40 , In the area of the connection area 110 is the surface of the polymer film 40 smooth after joining, while that of the first polymer layer 10 facing surface of the polymer film 40 in the deformation area 120 continue to have the increased roughness. In this way, a bulge Δz of the surface of the deformation region 120 , especially the surface of the deformable valve element 70 , opposite the surface of the connection area 110 achieved. The bulge .DELTA.z provides a bias of the elastically deformable valve element 70 ,

5 zeigt eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes normal-geschlossenes Rückschlagventil 300 für mikrofluidische Bauteile aus einem polymeren Schichtsystem. Der Aufbau des normal-geschlossenen Rückschlagventils 300 ist prinzipiell ähnlich zu dem Aufbau des Rückschlagventils von 1, so dass lediglich die Unterschiede zu diesem beschrieben werden. 5 shows a sectional view of a second embodiment of an inventive normally closed check valve 300 for microfluidic components made of a polymeric layer system. The structure of the normally-closed check valve 300 is in principle similar to the construction of the check valve of 1 so that only the differences to this are described.

Das Rückschlagventil 300 weist einen Auslass 20 in der Form eines Durchgangslochs auf, welches sich in vertikaler Richtung durch die ersten Polymerschicht 10 erstreckt. Der Auslass 20 ist im Bereich unterhalb einer Ventilkammer 60 angeordnet. Eine Polymerfolie 40 weist oberhalb des Auslass 20 einen Durchlass 80 auf, welcher sich in vertikaler Richtung durch die gesamte Dicke der Polymerfolie 40 erstreckt.The check valve 300 has an outlet 20 in the form of a through hole extending in the vertical direction through the first polymer layer 10 extends. The outlet 20 is in the area below a valve chamber 60 arranged. A polymer film 40 points above the outlet 20 a passage 80 which extends in the vertical direction through the entire thickness of the polymer film 40 extends.

Die zweite Polymerschicht 30 weist eine Ausnehmung zur Ausbildung der Ventilkammer 60 auf. Die Ventilkammer 60 weist aufgrund der Ausnehmung eine Ventilkammerhöhe Δk auf, wobei das vorgespannte verformbare Ventilelement 70 gegen eine planare Oberfläche 65 der zweiten Polymerschicht 30 gedrückt wird, und somit einen Einlass 50 verschließt.The second polymer layer 30 has a recess for forming the valve chamber 60 on. The valve chamber 60 has due to the recess a valve chamber height .DELTA.k, wherein the prestressed deformable valve element 70 against a planar surface 65 the second polymer layer 30 is pressed, and thus an inlet 50 closes.

Claims

Normally closed check valve ( 200 ) for microfluidic components of a polymeric layer system, comprising: a first polymer layer ( 10 ), which has an outlet ( 20 ), a second polymer layer ( 30 ), a polymer film ( 40 ) intermediate between the first polymer layer ( 10 ) and the second polymer layer ( 30 ), with a connection area ( 110 ), in which the surface of the polymer film ( 40 ) after joining the polymer film ( 40 ) with the first polymer layer ( 10 ) and a connection area ( 110 ) inside unconnected deformation area ( 120 ), which serves as a deformable valve element ( 70 ), an inlet ( 50 ), which with the polymer film ( 40 ) or the second polymer layer ( 30 ), a valve chamber ( 60 ) having a predetermined valve chamber height (Δk), the valve chamber ( 60 ) between the outlet ( 20 ) and the inlet ( 50 ), wherein the polymer film ( 40 ) in the area of the valve chamber ( 60 ) the deformable valve element ( 70 ), and the polymer film ( 40 ) a passage ( 80 ), which the outlet ( 20 ) and the inlet ( 50 ), wherein in the region of the valve chamber ( 60 ) that surface of the first polymer layer ( 10 ) leading to the deformable valve element ( 70 ), and / or a surface with increased roughness ( 45 ) of the deformable valve element ( 70 ) leading to the first polymer layer ( 10 ), has a predetermined surface roughness, and thus a curvature (Δz) of the surface with increased roughness ( 45 ) of the deformable valve element ( 70 ) opposite the surface of the connection area ( 110 ) realized for a deflection of the deformable valve element ( 70 ) towards the inlet ( 50 ) and that of the surface with increased roughness ( 45 ) opposite surface of the deformable valve element ( 70 ) with the second polymer layer ( 30 ) both in the rest position and in the reverse direction of the normally-closed check valve ( 200 ) forms a closed sealing surface.

Check valve according to claim 1, wherein the surface of the first polymer layer ( 10 ) or the deformable valve element ( 70 ) is patterned with the predetermined surface roughness in the manner of nubs.

Check valve according to claim 1 or 2, wherein the deformable valve element ( 70 ) after joining the polymer film ( 40 ) on the first polymer layer ( 10 ) by an amount (Δz) relative to the surface of the polymer film ( 40 ), and this amount (Δz) is greater than the predetermined valve chamber height (Δk).

Check valve according to one of claims 1 to 3, wherein the valve chamber ( 60 ) in the second polymer layer ( 30 ) is trained.

Check valve according to one of claims 1 to 3, wherein the outlet ( 20 ) from the valve chamber ( 60 ) is formed substantially vertically.

Check valve according to one of claims 1 to 5, wherein the valve chamber ( 60 ) is formed in the region of a third polymer layer, which between the polymer film ( 40 ) and the second polymer layer ( 30 ) is arranged.

Check valve according to one of claims 1 to 6, wherein the inlet ( 50 ) in the form of a through-hole through the second polymer layer ( 30 ) is trained.

Check valve according to one of claims 1 to 6, wherein the outlet ( 20 ) in the form of a Channel formed in a lateral direction in the first polymer layer ( 10 ).

Method for producing a normally-closed check valve ( 200 ) for microfluidic components of a polymeric layer system, comprising the steps of: - providing a first polymer layer ( 10 ), - connecting a polymer film ( 40 ) with the first polymer layer ( 10 ), where a connection area ( 110 ) with a predetermined shape and one of the connection area ( 110 ) internal unconnected deformation area ( 120 ) is formed, wherein in the unconnected deformation region ( 120 ) the surface roughness of both the first polymer layer ( 10 ) as well as the polymer film ( 40 ) and in the area of the connection area ( 110 ) the surface of the polymer film ( 40 ) is smooth after joining, whereby a bulge (Δz) of the surface of the deformation region ( 120 ) opposite the surface of the connection area ( 110 ), - forming a passage ( 80 ) in the deformation area ( 120 ), - connecting a second polymer layer ( 30 ) with the polymer film ( 40 ), between the deformation region ( 120 ) and the second polymer layer ( 30 ) a valve chamber ( 60 ) is formed with a predetermined valve chamber height (Δk), - forming an outlet ( 20 ) in the valve chamber ( 60 ), and - forming an inlet ( 50 ) from the valve chamber ( 60 ).

The method of claim 9, further comprising the step of patterning the surface of the first polymer layer ( 10 ) or the polymer film ( 40 ) in the manner of nubs before joining the polymer film ( 40 ) with the first polymer layer ( 10 ).