DE10133013C2 - Verschluss für Hohlräume oder Durchführungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verschluss für Hohlräume oder Durchführungen, der durch einen elektrischen Strom geöffnet werden kann nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die Handhabung kleiner flüssiger Proben in Kapillarsyste­men ist es oft wünschenswert, die Probe in einem Volumen oder Reservoir dicht verschlossen zu halten, um sie dann im Moment einer Analyse synchron zu einem elektrischen Signal freizuge­ben. Der klassische Weg zur Lösung dieser Fragestellung be­steht darin, am Reservoir ein Ventil anzubringen, das aufgrund eines elektrischen Signales geöffnet wird. Wenn aber auf einer Grundplatte sehr viele Reservoirs nebeneinander angeordnet sind, wie dies z. B. bei biotechnologischen Anwendungen und in der Wirkstoffforschung üblich ist, ist der Aufwand, jedes der Reservoirs mit einem eigenen Ventil zu versehen, zu groß.

In der DE 198 58 443 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem der Boden eines kleinen Reservoirs mit einem Laserstrahl geöffnet wird.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass ein Laser benötigt wird, der gezielt auf den Boden des jeweiligen Reservoirs aus­gerichtet werden muss.

In der DE 196 10 293 C1 wird eine Membran als Verschluss für einen Hohlraum offenbart. Diese wird durch Erwärmung eines auf ihr angebrachten Heizdrahtes zerstört, um eine Öffnung im Hohlraum zu erzeugen.

Weiterhin wird in der DE 197 16 683 C1 und in der DE 35 20 416 C2 eine Membran als Verschluss für eine Durchführung beschrie­ben, die auf die gleiche Weise zerstört wird, um die Durchfüh­rung zu öffnen.

Bei diesem Verfahren zerspringt die Membran in einzelne Stü­cke, durch die die Probe kontaminiert wird, was bei einer An­zahl von Anwendungen unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen weiteren Verschluss für Hohlräume anzugeben, der auf einfache Weise durch ein elektrisches Signal geöffnet werden kann, ohne dass ein zusätzliches Werkzeug benötigt würde. Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Verschluss mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die übrigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verschlusses.

Der Verschluss wird im folgenden anhand von denFig. 1 bis 4 anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zei­gen die Figuren schematisch den Aufbau der gefertigten Vorrichtung bzw. einzelne Stadien während deren Herstellung.

Die Figuren sind nicht maßstäblich gezeichnet, um sehr dünne bzw. kleine Strukturen neben vergleichsweise großen Strukturen deutlich werden zu lassen.

Das erste Anwendungsbeispiel beschreibt einen Verschluss für Hohlräume, der von einer Membran mit einem darauf angebrachten Heizdraht gebildet wird. In den Figuren sind der Übersicht­lichkeit wegen nur ein oder zwei Verschlüsse dargestellt. Es können aber viele Verschlüsse parallel nebeneinander ange­bracht und so wesentlich Kosten gespart werden.

Wie inFig. 1 auf der linken Seite dargestellt ist, ist eine 5 µm dicke Membran1 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) auf einem Substrat2 aus Polyetheretherketon (PEEK) mit Hohlräu­men3 so angebracht, dass die Hohlräume3 vollständig ver­schlossen werden. Auf der Membran1 sind ein Heizdraht4 und eine weitere dünne Schicht5 aus 100 nm dickem Gold ange­bracht. Die Goldschicht5 wird so auf der Membran1 ange­bracht, dass sie unter einer mechanischen Zugspannung steht.

Zum Öffnen des Verschlusses wird ein elektrischer Strom durch den Heizdraht4 geleitet, sodass sich der Heizdraht4 und der unmittelbar darunter liegende Teil der Membran1 erwärmen, bis das Material der Membran1 so weich wird, dass sich im Bereich des Heizdrahtes ein Spalt in der Membran1 bildet. Daraufhin relaxiert die Zugspannung in der Schicht5 und ein Teil1a der Membran1 wird, wie rechts inFig. 1 dargestellt ist, zu­sammen mit einem Teil5a der Schicht5 zum Rand hin aufge­rollt, sodass der Hohlraum3 geöffnet wird.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf einen geschlossenen Verschluss mit dem Heizdraht4 und seinen Zuleitungen und der Schicht5. Die Lage des Randes3a des Hohlraumes3 unter der Membran1 ist als gestrichelte Linie markiert.

Der Heizdraht4 und/oder die Schicht5 können auch auf der an­deren Seite der Membran1 im Innern des Hohlraumes3 angeord­net werden, wenn dies aus fertigungstechnischen Gründen oder in der Anwendung einen Vorteil darstellt.

Aus fertigungstechnischen Gründen ist es in der Regel ein Vor­teil, wenn die Schicht5 und der Heizdraht4 aus dem gleichen Material bestehen und die gleiche Dicke aufweisen. Es ist aber auch möglich, verschiedene Materialien für den Heizdraht4 und die Schicht5 zu wählen und/oder sie in unterschiedlicher Dicke zu fertigen.

Ein Verschluss, wie er hier beschrieben ist, kann nicht nur zum hermetischen Verschließen eines Hohlraumes eingesetzt werden, sondern auch ein nach oben offenes Reservoir ver­schließen, oder zwei Kapillarsysteme von einander trennen, die durch ein elektrisches Signal miteinander verbunden werden sollen.

Es ist auch möglich, einen Heizdraht4 innen oder außen an ei­ner hinreichend dünnen Stelle einer Begrenzungswand1 eines Hohlraumes anzubringen, wie es inFig. 3 dargestellt ist.

Im zweiten Anwendungsbeispiel wird ein Verschluss beschrieben, bei dem eine Sollbruchstelle das Öffnen erleichtert.

In einem Kanalsystem aus Polysulfon (PSU) mit einem quadrati­schen, 4.4 mm² großen Querschnitt wird der Zustrom eines Ga­ ses durch den inFig. 4 in Aufsicht gezeigten Verschluss im wesentlichen unterbunden. Der Verschluss wird durch eine 2 µm dicke Membran aus Polyimid (PI) gebildet in der zur Perfora­tion kreisförmige Öffnungen7 mit einem Durchmesser von 200 µm angebracht sind. Im Zentrum der Membran ist ein Heizdraht4 und Schichten5 aus 100 nm dickem Wolfram angebracht. Ein elektrischer Strom erwärmt den Heizdraht4 so sehr, dass die Membran in diesem Bereich unterbrochen wird. Die Perforation führt dazu, dass die Membran entlang der Öffnungen7 einreißt, auch wenn der Druckunterschied über der Membran nicht sehr groß ist. Ferner führt eine mechanische Vorspannung in der Wolframschicht5 und in den Zuleitungen zum Heizdraht4 dazu, dass sich die Membran zum Rand hin aufrollt und so die Öffnung im wesentlichen freigibt.

Ein Verschluss in dieser Art hat den Vorteil, dass nur ein ganz kleiner Teil, einer sehr dünnen Membran soweit erwärmt zu werden braucht, dass er weich wird und der mechanischen Span­nung in der Membran bzw. in der Schicht5 und den Zuleitungen zum Heizdraht nachgibt. Deshalb ist nur eine ganz kleine elektrische Energiemenge notwendig, um die den Verschluss zu öffnen.

Es ist auch möglich, statt der durchgehenden Öffnungen7 in der Membran verjüngte Bereiche vorzusehen, entlang derer die Membran leicht einreißen kann. Dies hat den Vorteil, dass die Membran das Kanalsystem dichter verschließen kann.

Claims (4)

1. Verschluss für Hohlräume oder Durchführungen bestehend aus einer dünnen Schicht (1), der mit einem elektrischen Strom geöffnet werden kann,dadurch ge­kennzeichnet, dass die dünne Schicht (1) mit einem Heiz­element (4) versehen ist und dass eine Schicht (5) auf der dün­nen Schicht (1) angebracht ist, wobei die Schicht (5) unter einer mechanischen Zugspannung steht.

2. Verschluss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (1) eine Membran ist.

3. Verschluss nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der dünnen Schicht (1) eine Perforation (7) ange­bracht ist.

4. Verschluss nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (1) an vorgegebenen Stellen (7) dünner ausgeführt ist.