DE19604289A1 - Mikromischer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikromischer mit einer mit einer ersten Eingangskanalanordnung verbundenen Misch­ kammer, in deren Wand eine zweite Eingangskanalanord­ nung über mindestens eine Öffnung mündet.

Mikromischer dieser Art gewinnen auf dem Gebiet der chemischen Analysen eine zunehmende Bedeutung. Sie ha­ ben den Vorteil, daß nur sehr kleine Mengen von zu un­ tersuchenden Flüssigkeiten oder Gasen und entsprechend kleine Mengen von Reagenzien benötigt werden, um eine entsprechende Analyse durchzuführen. Hierbei muß das zu untersuchende Fluid und das Reagenz miteinander ge­ mischt werden, um eine gewünschte Reaktion zu bewirken. Anhand des Reaktionsprodukts kann dann das gewünschte Analysenergebnis quantitativ oder qualitativ festge­ stellt werden. Man kann auch Zellen, beispielsweise Blutzellen, oder Granulate auf diese Weise mit Fluiden oder Reagenzien mischen.

Mikromischer können auch als Mikroreaktoren verwendet werden. Beispielsweise können zwei Gase gemischt wer­ den, die für sich ungiftig sind, bei einem Mischprozeß aber hochgiftig werden. Wenn man dies auf ein kleines Volumen beschränkt, kommt man mit etwas abgeschwächten Sicherheitsmaßnahmen aus gegenüber einem größeren Mischer, bei dem ein entsprechend größeres giftiges Gasvolumen erzeugt wird.

Bei den kleinen Volumina, die der Mischkammer zugeführt werden, ist es aber relativ schwierig, eine entspre­ chende Durchmischung der Fluide durch Verwirbelung zu erzielen. Wenn man sich aber auf eine Durchmischung beschränkt, die von Diffusionsvorgängen dominiert wird, ist es wichtig, daß man die Diffusion durch das ent­ sprechende Einleiten der unterschiedlichen Fluide in die Mischkammer gezielt beeinflussen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein schnelles und vorherbestimmbares Mischen von Fluiden zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Mikromischer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß an der Wand der Öff­ nung benachbart mindestens ein Vorsprung angeordnet ist, der eine Ausdehnung quer zur Strömungsrichtung aufweist, die größer ist als die Ausdehnung der Öffnung quer zur Strömungsrichtung.

Durch den Vorsprung wird die Strömung gestört. Das Fluid aus der ersten Eingangskanalanordnung, die durch­ aus mehrere Eingangskanäle aufweisen kann, muß um den Vorsprung herum fließen. Wenn nun das Fluid aus der zweiten Eingangskanalanordnung genau in diesem Bereich in die Mischkammer eingespeist wird, kann es sich senk­ recht zur Wand wesentlich besser in die Tiefe der Mischkammer ausbreiten als ohne Störung durch den Vor­ sprung. Dies ist ohne weiteres ersichtlich, wenn der Vorsprung in die Strömungsrichtung vor der Öffnung liegt. Dann liegt die Öffnung sozusagen im Windschatten des Vorsprungs. Ein Fluid, das von der zweiten Ein­ gangskanalanordnung durch die Öffnung in der Wand in die Mischkammer eintritt, kann sich dann, geschützt durch den Vorsprung, zunächst einmal in der Mischkammer etwas ausbreiten, bevor es mit dem Fluid in Kontakt kommt, das von der ersten Eingangskanalanordnung in Strömungsrichtung zugeführt wird. Dadurch wird ermög­ licht, daß sich die beiden Fluide in vorteilhafter Wei­ se aneinander anlegen. Entlang der so gebildeten Grenz­ schicht kann dann eine Diffusion erfolgen, durch die die Mischung zwischen den beiden Fluiden, beispielswei­ se einer Probe und einem Reagenz, bewirkt wird. Man erreicht aber erstaunlicherweise immer noch brauchbare Ergebnisse, wenn der Vorsprung in Strömungsrichtung hinter der Öffnung angeordnet ist.

Vorzugsweise steht der Vorsprung im wesentlichen senk­ recht auf der Wand. Dies erleichtert die Fertigung. Es müssen keine Hinterschneidungen oder andere schwierig herzustellende Konturen gebildet werden. Der Ausdruck "senkrecht" soll hier allerdings nur das technisch machbare ausdrücken. Bei einigen Ätzverfahren ist es nahezu unmöglich, wirklich senkrechte Wände zu erzeu­ gen.

Auch ist von Vorteil, wenn sich der Vorsprung bis zu einer der Wand gegenüberliegenden Deckwand erstreckt. Damit ergibt sich zum einen eine sehr gute Abschattung der Öffnung, so daß der Eintritt des Fluids aus der zweiten Eingangskanalanordnung in die Mischkammer ge­ schützt ist. Zum anderen wird eine gezielte Ausbildung der Grenzschicht zwischen den beiden Fluiden im wesent­ lichen senkrecht zu der Wand, die die Öffnung aufweist, bewirkt. Damit ergibt sich eine gezielte Schichtung der Fluide in der Mischkammer mit einer entsprechend gut kontrollierbaren Mischung durch Diffusion.

Vorteilhafterweise ist der Vorsprung zumindest mit ei­ nem Teil seiner Erstreckung in einem Bereich in Strö­ mungsrichtung vor der Öffnung angeordnet. Damit erzielt man bereits in einem Bereich vor der Öffnung definierte Strömungsverhältnisse für das Fluid aus der ersten Ein­ gangskanalanordnung bzw. für das Fluid aus der zweiten Eingangskanalanordnung, je nachdem, ob der Vorsprung die Öffnung windschattenmäßig abdeckt oder nicht.

Besonders bevorzugt ist, wenn der Vorsprung U-förmig mit zwei Schenkeln ausgebildet ist, wobei die Öffnung im Bereich einer Verbindung der beiden Schenkel ange­ ordnet ist. Damit kann das Fluid durch die Öffnung in die Mischkammer fließen und sich zunächst einmal zwi­ schen den beiden Schenkeln des U ausbreiten, bevor es mit dem Fluid aus der ersten Eingangskanalanordnung in Berührung kommt. Man erreicht hierdurch eine schicht­ artige Strömung des Fluids aus der zweiten Eingangska­ nalanordnung, an die sich das Fluid aus der ersten Ein­ gangskanalanordnung von beiden Seiten anlagert oder anlaminiert. Diesen geschichteten Aufbau erreicht man, ohne daß man eine komplizierte Kanalführung in die dritte Dimension vornehmen muß. Im allgemeinen reicht es aus, wenn die Fluide in einer Ebene geführt werden, wenn man davon absieht, daß die Öffnung natürlich einen Schritt in eine andere Ebene bedingt.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Schenkel eine Länge aufweisen, die ein Mehrfaches des Abstands zwi­ schen den Schenkeln oder der Höhe des Vorsprungs be­ trägt. In diesem Fall erreicht man am Ausgang des U eine mit hoher Güte laminar ausgebildete flächige Strö­ mung des Fluids aus der zweiten Eingangskanalanordnung, an das sich eine ebenfalls laminar ausgebildete Strö­ mung des Fluids aus der ersten Eingangskanalanordnung anschließen kann. Es ergibt sich hierdurch eine ausge­ zeichnete Schichtung der Fluide, wobei sich dann, wenn der Vorsprung auf beiden Seiten umspült wird, ein An­ lagern des ersten Fluids, d. h. des Fluids aus der er­ sten Kanalanordnung, an das zweite Fluid, d. h. dem Fluid aus der zweiten Kanalanordnung, von beiden Seiten ergibt. Damit entstehen zwei Grenzflächen und dement­ sprechend die doppelte Diffusionsfläche. Zusätzlich werden die Diffusionslängen verkürzt, weil die einzel­ nen Moleküle nur noch die Hälfte ihres Weges zurückle­ gen müssen, um in das jeweils andere Fluid vorzudrin­ gen, so daß man ein sehr schnelles Mischen der beiden Fluide erreichen kann, auch wenn der Mischvorgang nur oder hauptsächlich auf Diffusion beruht.

Vorzugsweise sind die Schenkel flächig, insbesondere eben, ausgebildet und verlaufen parallel zueinander. Damit ergibt sich bereits kurz nach dem Einspeisen durch die Öffnung in die Mischkammer eine Strömungs­ schicht mit einem laminaren Aufbau, an die sich dann nach dem Verlassen des Zwischenraums zwischen den bei­ den Schenkeln des U von beiden Seiten Schichten des anderen Fluids anlaminieren können. Die Ausbildung ei­ ner derartigen Schicht wird auch dadurch verbessert, wenn die Öffnung etwa eine Breite hat, die dem Abstand der Schenkel entspricht. Dann kann nämlich der Zwi­ schenraum zwischen den beiden Schenkeln über seine ge­ samte Breite gleichmäßig und praktisch verwirbelungs­ frei gefüllt werden. Die Schenkel sind vorzugsweise eben. Sie können aber auch gekrümmt sein, wenn das Fluid aus der ersten Eingangskanalanordnung auf einem entsprechend gekrümmten Strömungspfad geführt ist.

In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Vorsprung V-förmig ausgebildet ist. Auch mit einer derartigen Ausbildung kann man erreichen, daß sich das Fluid aus der zweiten Eingangskanalanordnung, das durch die Öffnung in die Mischkammer eintritt, zu­ nächst in der Mischkammer ausbreiten kann, bevor es mit dem Fluid aus der ersten Eingangskanalanordnung in Be­ rührung kommt. Auch auf diese Weise läßt sich ein her­ vorragendes Aneinanderanlegen der beiden Fluide errei­ chen.

Vorteilhafterweise weist die Mischkammer einen Ausgang auf, dessen Breite in eine Richtung parallel zur Wand vermindert ist. Um eine möglichst schnelle Durch­ mischung zu erreichen, möchte man die einzelnen Schich­ ten der Fluide möglichst dünn machen. Allerdings lassen sich bei der Herstellung unbegrenzt dünne und vollstän­ dig senkrechte Wände des Vorsprungs nicht erzielen, insbesondere dann, wenn man <100< Silizium verwendet. Außerdem können Flüssigkeiten Partikel enthalten, die große Probleme verursachen können, wenn sie die Öffnung oder den Abstand zwischen den beiden Schenkeln ver­ stopfen. Aus diesem Grunde muß man beim Erzeugen der einzelnen Schichten größere Dicken in Kauf nehmen. Um diese Dicken zu vermindern, kann man aber den gesamten zusammengesetzten Fluidstrom komprimieren, beispiels­ weise dadurch, daß man die Mischkammer zum Ausgang zu hin verkleinert. Damit erhöht sich die Strömungsge­ schwindigkeit. Gleichzeitig nehmen aber die Schicht­ dicken ab, so daß man eine bessere und schnellere Durchmischung auch durch Diffusion erhält.

Vorzugsweise ist ein Verhältnis der Geschwindigkeiten einer Strömung durch die Öffnung und einer Strömung aus der ersten Eingangskanalanordnung einstellbar. Damit lassen sich die Schichtdicken beeinflussen. Außerdem kann man erreichen, daß beide Fluide die gleiche Ge­ schwindigkeit haben, wenn sie aufeinander treffen. Auch dies verbessert die Schichtung und erleichtert damit die Ausbildung der Diffusionsflächen in einer Art und Weise, die die Diffusion fördert.

Mit Vorteil sind mehrere Öffnungen in der Wand vorgese­ hen und jede Öffnung weist einen eigenen Vorsprung auf. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vielzahl von Schichtungen zu erhalten. Jede Öffnung erzeugt mit dem ihr zugeordneten Vorsprung eine eigene Flüssigkeits­ schicht in der Mischkammer, die im wesentlichen senk­ recht zu der Wand steht, in der die Öffnung angeordnet ist. Diese Vielzahl von Schichten können mit relativ einfachen Mitteln erzeugt werden.

Vorzugsweise sind die Öffnungen hierbei in Reihen an­ geordnet und quer zur Strömungsrichtung gegeneinander versetzt. Die Anordnung in Reihen erleichtert den Auf­ bau. Der Versatz in Strömungsrichtung quer zueinander ermöglicht es, daß sich eine Vielzahl von Schichten nebeneinander ausbilden, ohne daß die Vorsprünge zu dicht benachbart werden müssen.

Auch ist bevorzugt, daß die zweite Eingangskanalanord­ nung mehrere Anschlüsse aufweist, die mit verschiedenen Fluiden beschickbar sind, wobei jede Öffnung mit einem einzigen Anschluß verbunden ist. Über jede Öffnung wird also nur ein Fluid, genauer gesagt, ein Fluid einer bestimmten Art, zugeführt. Es lassen sich in der Misch­ kammer dann mehrere unterschiedliche Fluide gleichzei­ tig oder quasi gleichzeitig miteinander mischen, was eine Analyse vereinfachen kann, wenn hierzu mehrere Reagenzien notwendig sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß zwischen benachbarten Vorsprüngen und zwischen Vor­ sprüngen und einer Seitenwand der Mischkammer Strö­ mungspfade ausgebildet sind, die unter einem vorbe­ stimmten Winkel zu einer Verbindung zwischen der ersten Eingangskanalanordnung und dem Ausgang ausgerichtet sind. Der Winkel ist vorzugsweise größer als 0° und kleiner als 90°. Auch mit dieser Maßnahme lassen sich die Schichtdicken der einzelnen Fluide verkleinern. Die Fluide werden zunächst durch die Strömungspfade (für das erste Fluid) bzw. die Vorsprünge (für das zweite Fluid) geführt, wobei sie parallel zueinander sind. Unmittelbar nach dem Aufeinandertreffen dieser beiden Fluide wird der dann kombinierte Fluidstrom abgebogen und damit auch dünner. Die Dicke läßt sich durch die Wahl des Winkels beeinflussen. Je näher der Winkel an den Wert 90° herankommt, desto dünner werden die Schichten. Allerdings darf der Winkel auch nicht zu steil werden, weil dann die Gefahr besteht, daß die Strömung beim Umlenken abreißt.

Vorzugsweise weisen die der Seitenwand der Mischkammer am dichtesten benachbarten Vorsprünge zu dieser Seiten­ wand einen kleineren Abstand als zu benachbarten Vor­ sprüngen auf. Damit lassen sich an den Rändern des kom­ binierten Fluidstromes dünnere Fluiddicken erzeugen. Diese haben dann beispielsweise die Hälfte der Dicke wie Fluidschichten des gleichen Fluids im Innern der Mischkammer. Die Diffusionslängen in diesem Fluid wer­ den dann über die gesamte Mischkammer konstant gehal­ ten. Bei den Schichten im Innern der Mischkammer kann die Diffusion nämlich von zwei Seiten her erfolgen, so daß die einzelnen Moleküle statistisch gesehen nur den halben Weg zurücklegen müssen. Bei den Schichten am Rand entfällt diese Möglichkeit. Des wegen wird hier die halbe Dicke gewählt. Damit läßt sich bereits nach kurzer Zeit ein Gleichgewichtszustand erreichen, bei dem eine gute Durchmischung hauptsächlich durch Diffu­ sion erfolgt ist.

Vorzugsweise ist die zweite Eingangskanalanordnung bis zu der Öffnung im wesentlichen parallel zur ersten Ein­ gangskanalanordnung ausgerichtet. Man erhält hier im wesentlichen gleiche Druckverluste für die beiden Flui­ de, die in den beiden Eingangskanalanordnungen herange­ führt werden. Dies erleichtert die Mischung der Fluide und das Steuern des Mischvorgangs.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Mikromischer, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Strömungsli­ nien,

Fig. 3 eine zweite Ausgestaltung eines Mikromischers,

Fig. 4 eine dritte Ausgestaltung eines Mikromischers,

Fig. 5 eine vierte Ausgestaltung eines Mikromischers und

Fig. 6 eine schematische Darstellung von Strömungen in dem Mikromischer nach Fig. 5.

Zur Darstellung einiger grundlegender Elemente eines Mikromischers wird zunächst auf Fig. 4 Bezug genommen. Der dort dargestellte Mischer weist einen ersten Ein­ gang 2 auf, über den ein erstes Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit, einer Mischkammer 3 zugeführt wird. Die Mischkammer 3 weist einen Ausgang 4 auf, durch den das Fluid, das in der Mischkammer 3 mit einem zweiten Fluid gemischt worden ist, die Mischkammer 3 verlassen kann. In der Mischkammer sind eine Vielzahl von einzel­ nen Mischstellen 5 vorgesehen, von denen jede einzelne als Mikromischer verwendet werden kann. Der nähere Auf­ bau einer derartigen Mischstelle 5 ist in Fig. 1 sche­ matisch erläutert.

In Fig. 1 dargestellt ist eine Wand 6 der Mischkammer 3. Diese Wand 6 ist diejenige, auf die man in der Dar­ stellung der Fig. 4 blickt, die also dort in der Zwi­ schenebene angeordnet ist. Etwa senkrecht zu dieser Wand 6 ist ein Vorsprung 7 angeordnet, der die Form eines U hat. Dementsprechend weist der Vorsprung 7 eine Basis 8 auf, die zwei Schenkel 9 miteinander verbindet, von denen einer dargestellt ist. Im Bereich der Basis 8 befindet sich eine Öffnung 10 in der Wand 6, die mit einem zweiten Eingangskanal 11 in Verbindung steht, der Teil einer zweiten Eingangskanalanordnung bildet.

Die gewählte Darstellung ist aus Gründen der Übersicht­ lichkeit nicht maßstäblich. In Wirklichkeit ist die Öffnung 10 breiter, d. h. sie füllt den Zwischenraum zwischen den beiden Schenkeln 9 in einem größeren Maße aus. Dafür sind die Schenkel 9 bezogen auf den Abstand a zwischen den Schenkeln länger. Die Länge der Schenkel 9 beträgt üblicherweise ein Mehrfaches des Abstands a zwischen den beiden Schenkeln. Da nur ein halber Vor­ sprung 7 dargestellt ist, beträgt der Abstand genauer gesagt 2a. Auf jeden Fall verlaufen die Schenkel 9 par­ allel zueinander und sind als ebene Wände ausgebildet.

Ein erster Pfeil 12 symbolisiert die erste Flüssigkeit bzw. das erste Fluid, das von der ersten Eingangskanal­ anordnung, im vorliegenden Fall dem Eingang 2, heran­ fließt. In Strömungsrichtung vor der Öffnung 10 ist die Basis 8 des Vorsprungs 7 angeordnet, so daß das Fluid 12 um den Vorsprung 7 herum fließen muß. Durch die Schenkel 9 des Vorsprungs wird es danach aber wieder so geführt, daß es eine im wesentlichen gerade und lamina­ re Strömung bildet. Das gleiche passiert auf der ent­ gegengesetzten Seite, was aber aus Gründen der Über­ sichtlichkeit nicht dargestellt ist. Im Bereich des Endes 13 des Vorsprungs 7 fließt daher das erste Fluid 12 im wesentlichen parallel zu der Erstreckung der Schenkel 9.

Durch die Öffnung 10 wird ein zweites Fluid herange­ führt, das durch einen Pfeil 14 symbolisiert ist. Da die Öffnung 10 sozusagen im Windschatten des Vorsprungs 7, genauer gesagt der Basis 8 liegt, kann sich das zweite Fluid 14 im Innern des U-förmigen Vorsprungs 7 zunächst ausbreiten, bevor es ebenfalls in Richtung des Endes 13 des Vorsprungs 7 zu fließen beginnt. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, in der Strömungslinien 15 einge­ zeichnet sind, um den Fluß des zweiten Fluids 14 darzu­ stellen. An dieser Stelle ist zu bemerken, daß der Vor­ sprung 7 auf der der Wand 6 gegenüberliegenden Seite, hier also der Oberseite, üblicherweise von einer Deck­ wand der Mischkammer 3 abgedeckt ist. Das erste Fluid 12 kann also nur im wesentlichen in einer Ebene außen um den Vorsprung 7 herumfließen.

Am Ende 13 des Vorsprungs 7 haben dann das erste und das zweite Fluid 12, 14 die gleiche Strömungsrichtung, d. h. sie strömen in guter Nährung parallel zueinander. Darüber hinaus kann man die Strömungsgeschwindigkeiten so einstellen, daß beide Fluide 12, 14 an dieser Stelle praktisch die gleiche Geschwindigkeit haben. Bei dieser Ausgestaltung legen sich die beiden Strömungen glatt aneinander an. Das zweite Fluid 14 wird also an seinen beiden Längsseiten mit einer Schicht des ersten Fluids 12 versehen. Es entsteht eine relativ große Kontaktflä­ che, durch die hindurch Diffusion erfolgen kann. Dem­ entsprechend steht eine große Diffusionsfläche zur Ver­ fügung, so daß Diffusionsvorgänge relativ rasch ablau­ fen können. Der Eingangskanal 11 verläuft unterhalb der Wand 6 in einer im wesentlichen parallelen Ebene zum Eingang 2, so daß das erste Fluid 12 und das zweite Fluid 14 weitgehend parallel geführt werden, bis das zweite Fluid 14 die Öffnung 11 erreicht. Die beiden Fluide können vorzugsweise in die gleichen Richtungen geführt werden. Sie können aber auch in ihren Ebenen unterschiedliche Strömungsrichtungen aufweisen. Auf diese Weise können die Druckverluste in beiden Fluiden 12, 14 im wesentlichen gleich gehalten werden.

Man kann nun mehrere derartige Mischstellen miteinander kombinieren, wie dies beispielsweise in Fig. 3 darge­ stellt ist. Hier sind zwei Mischstellen 5a, 5b schema­ tisch dargestellt, wobei jede Mischstelle 5a, 5b einen eigenen Vorsprung 7a, 7b aufweist. Jede Mischstelle 5a, 5b ist mit einer eigenen Zufuhröffnung 10a, 10b verbun­ den, wobei jede Öffnung 10a, 10b in nicht näher darge­ stellter Weise einen eigenen Eingangskanal aufweisen kann, so daß über jede Mischstelle 5a, 5b eine andere Flüssigkeit eingemischt werden kann. Das Mischungsprin­ zip ist aber gegenüber der Darstellung nach den Fig. 1 und 2 unverändert.

Allerdings lassen sich hier verschiedene Variationsmög­ lichkeiten realisieren. Wenn zwischen den beiden Vor­ sprüngen 7a, 7b quer zur Strömungsrichtung ein Abstand vorhanden ist, wird eine Schichtung der Flüssigkeiten F1, F2, F3 entstehen, die eine Reihenfolge F1-F2-F1-F3- F1 aufweist, wobei der Index 1 darauf hinweist, daß die Flüssigkeit aus der ersten Eingangskanalanordnung stammt, während die Indices 2 und 3 darauf hinweisen, daß die Flüssigkeiten aus anderen Anschlüssen stammen. Wenn zwischen den beiden Vorsprüngen 7a, 7b kein Ab­ stand vorgesehen wird, kann die Schichtung auch F1-F2- F3-F1 lauten. Es kommt hierbei darauf an, auf welche Art man eine derartige Schichtung bewirken möchte.

Der Vorsprung 7 kann einstückig mit der Wand 6 ausge­ bildet sein. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der Grundkörper des Mischers 1 aus Silizium herge­ stellt wird, der mit Mikroherstellungstechniken bear­ beitet wird. Beispielsweise können alle überflüssigen Teile herausgeätzt werden, so daß lediglich der Vor­ sprung 7 stehen bleibt. Die Abdeckung der Mischkammer 3 kann dann beispielsweise durch eine Glasscheibe erfol­ gen. Die Kanäle 11 können in einem Unterteil gefertigt werden, das auf die Wand 6 aufgeklebt wird.

Bei der Herstellung aus <100< Silizium können aus tech­ nischen Gründen die Wände des Vorsprunges 7 eine be­ stimmte Dicke nicht unterschreiten. Auch ist es in vie­ len Fällen nicht möglich, eine vollständig senkrechte Ausrichtung des Vorsprungs 7 zur Wand 6 zu gewährlei­ sten. Darüber hinaus können Flüssigkeiten Partikel er­ halten, die große Probleme verursachen können, wenn die Öffnung 10 oder der Zwischenraum zwischen den Schenkeln 9 verstopft wird. Man ist daher bestrebt, die Abstände so groß zu wählen, daß Verstopfungen nicht auftreten können und auch die herstellungsbedingten Ungenauigkei­ ten nicht so stark ins Gewicht fallen. Dies hat aller­ dings zur Folge, daß Schichtdicken beim Mischen entste­ hen, die ohne zusätzliche Maßnahmen eine beträchtliche Größe annehmen können. Da die Mischzeit bei der Diffu­ sion grob gesagt mit dem Quadrat der Schichtdicken an­ steigt, führt dies dann zu relativ langen Mischzeiten und entsprechend langen Mischstrecken.

Um dies zu vermeiden, kann man, wie dies in Fig. 4 dar­ gestellt ist, die Mischkammer 3 in Querrichtung ver­ breitern. Dort kann man die einzelnen Schichten der Flüssigkeiten oder Fluide mit der notwendigen Dicke herstellen. Wenn dann die Strömung durch den verklei­ nerten Ausgang 4 strömt, werden diese Schichtdicken zusammengepreßt. Gleichzeitig wird die Strömungsge­ schwindigkeit erhöht. Dies ist aber unkritisch. Man erhält auf diese Weise relativ dünne Schichtdicken der einzelnen Fluide, so daß die Mischungszeiten relativ kurz werden.

Andererseits hat diese Lösung den Nachteil, daß man auf diese Weise das Volumen der Mischkammer 3 vergrößert, was zu einem entsprechend vergrößerten Totvolumen führt.

In Fig. 4 wurde daher zusätzlich eine Möglichkeit ge­ wählt, bei der verschiedene Mischstellen 5 in Reihen im wesentlichen quer zur Hauptrichtung zwischen dem Ein­ gang 2 und dem Ausgang 4 angeordnet sind, wobei die einzelnen Mischstellen 5 in Querrichtung zueinander versetzt sind. Sie stehen sozusagen auf Lücke, so daß durch das mehrfache Mischen relativ viele Schichten entstehen, die aneinander anliegen und diese Schichten dann auch relativ dünn sind. Zu beachten ist hierbei, daß der Abstand zwischen einem Mischpunkt 16, der einer Seitenwand 17 der Mischkammer 3 am dichtesten benach­ bart ist, und dieser Seitenwand 17 kleiner ist als der Abstand zwischen benachbarten Vorsprüngen. Auf diese Weise kann man dafür sorgen, daß die äußersten Schich­ ten, d. h. die Flüssigkeitsschichten, die der Wand 17 der Mischkammer 3 benachbart sind, etwa halb so dick werden wie die Schichten, die sich im Innern der Misch­ kammer 3 befinden. Auf diese Weise werden die Diffu­ sionslängen für alle Flüssigkeitsbereiche in der Misch­ kammer 3 im wesentlichen gleich.

Die Ausbildung nach Fig. 4 hat eine Reihe von Vortei­ len: Die Abstände zwischen den Schenkeln 9 der Vor­ sprünge 7 können vergrößert werden, was die Gefahr ei­ ner Verstopfung des Mischers 1 durch Partikel verrin­ gert. Durch eine Einstellung des Abstandes zwischen den Vorsprüngen bzw. den Öffnungen 10 in den Vorsprüngen kann das Geschwindigkeitsprofil des Fluids aus dem Ein­ gang 2 eingestellt werden, so daß alle Schichten, die sich in der Mischkammer 3 bilden, etwa die gleiche Dicke erzielen. Die Schichtdicke an den Kanten kann im Verhältnis zu den übrigen Schichtdicken halbiert wer­ den, so daß die Diffusionszeiten hier die gleichen wie in den übrigen Bereichen der Mischkammer 3 sind. Der Kanal 11, der zu den Öffnungen 10 führt, kann parallel zum Eintrittskanal 2 des Mischers 1 geführt werden, so daß der Druckverlust für beide Flüssigkeiten der glei­ che sein wird. Das System ist auch bei wechselnden Um­ gebungsbedingungen relativ stabil.

Zwar verlaufen hier nicht alle Mischungen parallel, sondern zeitlich und räumlich geringfügig versetzt. Auch erreichen die einzelnen Schichtdicken erst ihre endgültige Größe, wenn die zusammengesetzte Flüssigkeit durch den Ausgang 4 strömt. Dies läßt sich aber problemlos in Kauf nehmen, weil man mit der dargestell­ ten Ausführungsform, bei der fünf Reihen mit jeweils vier Mischstellen 5 ausgebildet sind, zwanzig Mischun­ gen erreicht, so daß man eine entsprechend große Anzahl von Schichten mit einer entsprechend kleinen Dicke er­ zielt.

Eine alternative Ausgestaltung hierzu ist in Fig. 5 dargestellt. Auch hier sind eine Reihe von Vorsprüngen 7 in einer Mischkammer 3 vorgesehen. Diese Vorsprünge 7 sind jedoch dichter benachbart und bilden zwischen sich Strömungspfade 18 aus, die zu der Hauptrichtung zwi­ schen dem Eingang 2 und dem Ausgang 4 um einen bestimm­ ten Winkel geneigt sind, der größer als 0° aber kleiner als 90° ist. Der Effekt ist in Fig. 6 ersichtlich. Durch das Umlenken der Strömung sowohl vor als auch nach den einzelnen Mischstellen bekommt man unmittelbar nach dem Zusammentreffen der beiden Fluide relativ dün­ ne Schichten, so daß die Mischung durch Diffusion rela­ tiv schnell erfolgt. Auch hier ist ersichtlich, daß der Strömungspfad 19 zwischen dem äußersten Mischpunkt 16 und der Seitenwand des Gehäuses nur etwa die halbe Breite hat wie die Strömungspfade 18 zwischen benach­ barten Mischelementen. Der Ausgang 4 hat auch hier wie­ der eine etwas geringere Breite, so daß hier eine wei­ tere Kompression des Flüssigkeitsstromes erfolgt. Dies muß jedoch nicht sein, weil bereits durch das Abknicken oder Abwinkeln der Flüssigkeitsströmung eine Verringe­ rung der Dicke der einzelnen Schichten erzielt werden kann.

Diese Ausbildung hat die Vorteile, daß das Totvolumen des Mischers klein ist verglichen mit anderen Mischern. Es ist allerdings immer noch nicht vernachlässigbar. Die endgültige Schichtdicke kann bereits unmittelbar bei der Zusammenführung erreicht werden, was dazu bei­ trägt, die Mischzeit bzw. die Reaktionszeit zu reduzie­ ren. Auch hier kann man durch eine Verringerung der Schichtdicke am Rand die Diffusionszeiten für die Rand­ bereiche gleich groß halten wie für das restliche Sy­ stem.

Selbstverständlich kann auch hier die Zufuhr der zwei­ ten Flüssigkeit parallel zu der Zufuhr der ersten Flüs­ sigkeit im Eingang 2 erfolgen und zwar unterhalb des Bodens 6. Dies ist allerdings aus Gründen der Über­ sichtlichkeit hier nicht dargestellt.

Derartige Mischer werden auch als statische Mischer bezeichnet, weil sie keine bewegten Teile enthalten. Durch die Einführung der Vorsprünge 7 in die Mischkam­ mer 3 kann man ein Fluid bzw. eine Flüssigkeit mit ei­ nem oder mehreren Fluiden bzw. Flüssigkeiten zusammen­ führen. Hierbei werden die einzelnen Fluide oder Flüs­ sigkeiten mit dünnen Schichten aneinander angelegt, wobei eine große Diffusionsfläche und eine kleine Dif­ fusionslänge entsteht. Diffusionsvorgänge können dann relativ rasch ablaufen und auch rasch abgeschlossen werden.

Durch die Optimierung der Vorsprünge 7 kann man eine Verstopfung durch Partikelverschmutzung weitgehend ver­ meiden und ein kleines Totvolumen bilden. Bei der Aus­ gestaltung nach den Fig. 5 und 6 kann man eine symme­ trische Mischung erreichen.

Die Herstellung der Strukturen erfolgt mit bekannten Technologien, beispielsweise durch die Anwendung eines Maskenfilms mit zwei Stufen bei einer anisotropischen Ätzung im Plasma. Wenn man anstelle von <100< Silizium ein <110< Silizium verwendet, können relativ genau senkrechte Wände erzielt werden, wodurch das System kompakter wird und mit einer präziseren Optimierung gestaltet werden kann. Allerdings ist die Verwendung von <100< Silizium-Platten ausreichend, in denen eine Membrane einen Kanal an der unteren Seite, beispiels­ weise mit KOH geätzt, von einem Kanal an der oberen Seite, in Plasma geätzt, trennt. Die Öffnung 10 kann dann durch ein Loch in der Membrane gebildet werden. Man kann den Mikromischer aber auch auf andere Weise herstellen, beispielsweise durch Kunststoffgießen oder Fräsen in ein massives Teil.

Dargestellt ist, daß die erste Flüssigkeit bzw. das erste Fluid 12 über einen einzelnen Eingang 2 zugeführt wird. Anstelle dieses einzelnen Eingangs 2 kann man aber auch eine Eingangskanalanordnung mit einer größe­ ren Anzahl von Einzelkanälen verwenden. Das gleiche gilt für die zweite Eingangskanalanordnung.

Von den dargestellten Ausführungsformen kann in vieler­ lei Hinsicht abgewichen werden, ohne den prinzipiellen Gedanken der Erfindung zu verlassen. So kann beispiels­ weise ein V-förmiger Vorsprung anstelle des U-förmigen Vorsprungs verwendet werden. Gegebenenfalls können sich an die Schenkel des V noch parallele Wände anschließen, so daß man ein U mit einer V-förmigen Basis erhält.

Die Öffnung des U muß nicht unbedingt in Strömungsrich­ tung weisen. Sie kann auch entgegen der Strömungsrich­ tung gerichtet sein, wenn sich die Schenkel entgegen der Strömungsrichtung über die Öffnung hinaus erstrec­ ken. Durch eine entsprechende Strömungssteuerung der Fluide kann man auch bei einer derartigen Ausgestaltung ein Laminieren der Fluide aneinander erreichen. Das gleiche gilt auch dann, wenn anstelle des U-förmigen Vorsprungs ein V-förmiger Vorsprung verwendet wird. In letzterem Fall kann man sogar eine Flanke des Vor­ sprungs verwenden, um eine Verengung des Ausgangs der Mischkammer zu erzeugen.

Auch ist denkbar, daß die Mischkammer einen gebogenen oder gekrümmten Verlauf hat, so daß ein entsprechend gebogener oder gekrümmter Strömungspfad für das erste Fluid erzeugt wird. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, daß der Vorsprung entsprechend bogenförmige Schenkel aufweist, die das zweite Fluid parallel zum ersten Fluid führen.

Schließlich kommt man in einigen Fällen auch mit einer Vorsprungsanordnung aus, die eine einfache Wand in Strömungsrichtung vor der Öffnung und eine dazu im we­ sentlichen parallel oder anders ausgerichtete Wand in Strömungsrichtung hinter der Öffnung aufweist. In die­ sem Fall kann sich das Fluid aus der Öffnung zunächst einmal in der Mischkammer ausbreiten, bevor es mit dem Fluid aus der ersten Eingangskanalanordnung in Kontakt kommt.

Schließlich ist es nicht unbedingt erforderlich, daß sich der Vorsprung bis zu der der Wand gegenüberliegen­ den Decke der Mischkammer erstreckt. In diesem Fall wird das Fluid aus der zweiten Eingangskanalanordnung von drei Seiten mit dem Fluid aus der ersten Eingangs­ kanalanordnung abgedeckt. Wenn in Strömungsrichtung dahinter noch eine Öffnung ohne Vorsprung angeordnet wird, kann man hierdurch das Fluid aus der zweiten Ein­ gangskanalanordnung mit dem Fluid aus der ersten Ein­ gangskanalanordnung einschließen oder einpacken.

Claims (16)

1. Mikromischer mit einer mit einer ersten Eingangs­ kanalanordnung verbundenen Mischkammer, in deren Wand eine zweite Eingangskanalanordnung über minde­ stens eine Öffnung mündet, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wand (6) der Öffnung (10) benachbart mindestens ein Vorsprung (7) angeordnet ist, der eine Ausdehnung quer zur Strömungsrichtung auf­ weist, die größer ist als die Ausdehnung der Öff­ nung quer zur Strömungsrichtung.

2. Mikromischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vorsprung (7) im wesentlichen senk­ recht auf der Wand (6) steht.

3. Mikromischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich der Vorsprung (7) bis zu einer der Wand (6) gegenüberliegenden Deckwand er­ streckt.

4. Mikromischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (7) zumin­ dest mit einem Teil seiner Erstreckung in einem Bereich in Strömungsrichtung vor der Öffnung (10) angeordnet ist.

5. Mikromischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (7) U-för­ mig mit zwei Schenkeln (9) ausgebildet ist, wobei die Öffnung (10) im Bereich einer Verbindung (8) der beiden Schenkel (9) angeordnet ist.

6. Mikromischer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schenkel (9) eine Länge aufweisen, die ein Mehrfaches des Abstands (2a) zwischen den Schenkeln (9) oder der Höhe des Vorsprungs beträgt.

7. Mikromischer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schenkel (9) flächig, insbe­ sondere eben, ausgebildet sind und parallel zuein­ ander verlaufen.

8. Mikromischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vorsprung V-förmig ausgebildet ist.

9. Mikromischer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (3) einen Ausgang (4) aufweist, dessen Breite in eine Rich­ tung parallel zur Wand (6) vermindert ist.

10. Mikromischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis der Ge­ schwindigkeiten einer Strömung durch die Öffnung (10) und einer Strömung aus der ersten Eingangska­ nalanordnung (2) einstellbar ist.

11. Mikromischer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Öffnungen (10) in der Wand vorgesehen sind und jede Öffnung (10) ei­ nen eigenen Vorsprung (7) aufweist.

12. Mikromischer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Öffnungen (10) in Reihen angeordnet und quer zur Strömungsrichtung gegeneinander ver­ setzt sind.

13. Mikromischer nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Eingangskanalanordnung (11) mehrere Anschlüsse aufweist, die mit verschie­ denen Fluiden beschickbar sind, wobei jede Öffnung (10a, 10b) mit einem einzigen Anschluß verbunden ist.

14. Mikromischer nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Vorsprüngen (7) und zwischen Vorsprüngen (7) und einer Seitenwand (17) der Mischkammer (3) Strö­ mungspfade (18, 19) ausgebildet sind, die unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Verbindung zwi­ schen der ersten Eingangskanalanordnung (2) und dem Ausgang (4) ausgerichtet sind.

15. Mikromischer nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die der Seitenwand (17) der Mischkammer (3) am dichtesten benachbarten Vor­ sprünge (16) zu dieser Seitenwand (17) einen klei­ neren Abstand als zu benachbarten Vorsprüngen auf­ weisen.

16. Mikromischer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Eingangskanal­ anordnung (11) bis zu der Öffnung (10) im wesentli­ chen parallel zur ersten Eingangskanalanordnung (2) ausgerichtet ist.