DE3915920A1 - Micro-mechanical structures for storing and testing substances - e.g. for disease diagnosis, is made of inert material, e.g. glass, and has defined pattern of depressions, cavities, etc. - Google Patents

Abstract

Micromechanical structures with cavities, reservoirs, openings, channels, depressions, elevations and similar features, used to examine test substances for possible changes in physical and/or chemical properties, are made of (or contain) semiconducting elements (Gp. III-VIII), or glass, ceramic, diamond or carbon. They are prepd. by 'non-splintering' methods, pref. chemical etching. The structure comprises a block and cover of the same material, esp. silicon (or other single-crystal material) or glass. The block has a number of depressions of partic. size, shape, distribution, etc., and the cover has elevations which match these exactly so as to provide a hermetic closure. USE/ADVANTAGE - These structures are used for evaluation and documentation in biotechnology, genetic engineering, cell or immune research, or for other medical, agricultural or environmental research. They allow dangerous substances to be stored and handled (for testing, etc.) safely, and provide simple process control and evaluation of tests on very small amts. of sample. The structures can be made inexpensively on a large scale from inert materials.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur für Zwecke der Biotechnologie, also insbesondere gegen Krankheit und Hunger, für Zwecke der Biotechnik, der Gentechnik, der Zellforschung, für die Pharmazie, zur Heilung und Erforschung insbesondere bisher unheilbarer Krankheiten, auch für die Agrarforschung, um neue Nahrungsquellen und Energiequellen zu erschließen und die Umwelt wiederherzustellen. Für Zwecke der Medi­zin, z. B. Blutuntersuchungen aber auch von Gewebe oder von Zellen, z. B. Antikörper-, Antigenimmobilisierung zur Herstellung von monoklonalen An­tikörpern, zur Herstellung von Antibiotika, Insulin, aber auch für Heil­mittel, Seren, Bakterien und anderen Substanzuntersuchungen und Ver­gleichsversuche. Immer besteht die Aufgabe eines sicheren kontollierten Umgangs mit der jeweiligen Substanz vor, während und nach einer Untersu­chung, Reaktion oder dergleichen, insbesondere wenn die Substanzen eine Gefahr für die Umwelt bilden können.The invention relates to a micromechanical structure for the purposes ofBiotechnology, in particular against illness and hunger, for purposesbiotechnology, genetic engineering, cell research, for pharmacy,for healing and research, in particular of previously incurable diseases,also for agricultural research to find new food sources and energy sourcesto open up and restore the environment. For purposes of medizin, z. B. blood tests but also of tissue or cells, for. B.Antibody, antigen immobilization for the production of monoclonalantibodies, for the production of antibiotics, insulin, but also for healingmedium, sera, bacteria and other substance tests and verequal attempts. There is always the task of a safe controlledDealing with the respective substance before, during and after an examinationchung, reaction or the like, especially if the substancesCan pose a danger to the environment.

Um die eingangs genannten Zwecke erfüllen zu können, insbesondere zur Bekämpfung von Krankheit und Hunger in der Welt, ist es nötig, bei Un­tersuchungen, Reaktionen, Tests, Vergleichsuntersuchungen bzw. Untersu­chungsreihen mit insbesondere gefährlichen Substanzen auch dann sicher hantieren zu können, wenn die Substanzmengen noch so gering sind.In order to be able to fulfill the purposes mentioned above, in particular forCombating disease and hunger in the world, it is necessary at Unexaminations, reactions, tests, comparative examinations and examinationsSeries of tests with especially dangerous substances are also safeto be able to handle even the smallest amounts of substance.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine reine, sichere Aufbewahrung und Hand­habung von Substanzen, die gefährlich sind oder werden können - sei es vor, während oder nach einer Untersuchung, Reaktion, Test oder ähnli­chem - zu erleichtern bzw. zu gewährleisten.The object of the invention is a clean, safe storage and handhave substances that are or can become dangerous - be itbefore, during or after an examination, reaction, test or similarchem - to facilitate or ensure.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Mikrostruktur gemäß Patentanspruch 1. Diese Mikrostruktur weist viele Vorteile auf. Sie kann in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden. Sie ist für eine sichere Aufbewahrung einer Vielzahl von Substanzen als Proben für Tests, für Be­handlungen, für Untersuchungen, für Vergleiche, für Reaktionen etc. ge­eignet. Die Anordnung von geeigneten Kavitäten zueinander in der Struk­tur nach Art einer Matrix bzw. eines Arrays gestattet einfache Prozeß­ steuerung, einfache Untersuchung und Durchführung von gewünschten Reak­tionen, von gewünschten kleinen Substanzmengen sowie deren gezielte Be­handlung und Untersuchung. Die Struktur mit den Kavitäten besteht aus inertem Material, d.h. sie ändert sich bei den Untersuchungen, Behand­lungen nicht, die Kavitäten sind zuverlässig verschließbar und werden von den meisten Schadstoffen nicht angegriffen.This problem is solved by a microstructure according to the patent claim1. This microstructure has many advantages. It can be largeQuantities can be produced inexpensively. It is for a safe oneStorage of a variety of substances as samples for tests, for loadingactions, for investigations, for comparisons, for reactions etc.is suitable. The arrangement of suitable cavities in the structureStructure in the manner of a matrix or an array allows simple processes control, simple investigation and execution of desired reakions, of the desired small amounts of substance and their targeted loadingaction and investigation. The structure with the cavities consists ofinert material, i.e. it changes in the examinations, treatmentsnot lungs, the cavities are and can be closed reliablynot attacked by most pollutants.

Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen sowie der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. Auch Kombinationen dieser Merkmale gehören zur Erfindung. In der Zeich­nung zeigtTraining and further developments of the invention are further claims as wellthe description and drawing of an embodiment can be seen.Combinations of these features also belong to the invention. In the drawingshows

Fig. 1 eine Struktur mit einer einzelnen Kavität und einer bestimmten Oberflächenorientierung des kristallinen Materials;Fig. 1 is a structure with a single cavity and a specific surface orientation of the crystalline material;

Fig. 2 eine Abwandlung vonFig. 1;Fig. 2 shows a modification ofFig. 1;

Fig. 3 eine Struktur aus kristallinem Material;Fig. 3 is a structure made of crystalline material;

Fig. 4 eine Struktur in Abwandlung zuFig. 3;FIG. 4 shows a structure modified fromFIG. 3;

Fig. 5 eine Struktur in konstruktiver Abwandlung zuFig. 1;FIG. 5shows a structure in a constructive modification ofFIG. 1;

Fig. 6 eine Abwandlung zuFig. 2 oder 4, wobei ein strukturiertes Teil in der Mitte zwischen zwei hiervon verschiedenen Teilen ange­ordnet ist (Sandwich-Aufbau);Fig. 6 shows a modification toFigure 2 or 4, wherein a structured part in the middle between two different parts is arranged (sandwich structure).

Fig. 7 eine Abwandlung zuFig. 6 mit in Bodenplatte und Deckplatte zu­sätzlich angeordneten Einrichtungen;Fig. 7 shows a modification ofFig 6, with the bottom plate and top plate to additionally arrangedfacilities.

Fig. 8 eine weitere Abwandlung zuFig. 6 oder 7 mit zusätzlichen Schichten oder Platten;FIG. 8 shows a further modification toFIG. 6 or 7 with additional layers or plates;

Fig. 9 eine Ausführung mit Meß- oder Erfassungseinrichtung;Fig. 9 is an embodiment with measuring or detecting means;

Fig. 10 eine Struktur mit Meß- und Erfassungseinrichtung sowie gegebe­nenfalls Speicher;Fig. 10 shows a structure with measuring and detection device and, if appropriate, memory;

Fig. 11 eine Einrichtung mit einem Biosensor insbesondere Feldeffekt­transistor;FIG. 11is a transistor device with a biosensor, in particular field effect;

Fig. 12 eine Abwandlung der Ausführungsform nachFig. 11;FIG. 12 shows a modification of the embodiment according toFIG. 11;

Fig. 13 eine Einrichtung zum Feststellen bestimmter Stoffe in Fluiden;FIG. 13 is a device for detecting specific substances in fluids;

Fig. 14 eine Einrichtung zur automatischen Untersuchung mit Dokumenta­tion der Untersuchungsergebnisse;FIG. 14 is a device for the automatic investigation Documenta tion of the test results;

Fig. 15 einen Wärmetauscher insbesondere Plattenkühler;FIG. 15is a heat exchanger, in particular radiator plate;

Fig. 16 eine Draufsicht zuFig. 15;FIG. 16 is a top view ofFIG. 15;

Fig. 17 eine Abwandlung zuFig. 15 undFig. 17 shows a modification toFig. 15 and

Fig. 18 eine Draufsicht zuFig. 17.Fig. 18 is a plan view ofFig. 17.

WieFig. 1 zeigt, besteht eine Struktur1 aus Wandungen mit einer, be­vorzugt mehreren Kavitäten darin, zur Aufnahme kleiner Substanzmengen, und der Block ist abgeschlossen von einem Deckel3. Block1 und Deckel3 sind aus kristallinem Material, wie Halbleitermaterial. Ebenso wird zum erfindungsgemäßen Verschluß des Behälters mit einer zweiten Maske ein Gegenstück erzeugt = Deckel3, der zu den Vertiefungen2 korrespondie­rende Erhebungen4 aufweist, da die Masken geometrisch identisch sind. Die Maskentechnik erlaubt eine hohe Präzision bei der Herstellung; sie ist an sich aus der Halbleitertechnik bekannt.As shown inFIG. 1, a structure1 consists of walls with one, preferably several cavities therein, for receiving small amounts of substance, and the block is closed by a cover3 . Block1 and cover3 are made of crystalline material, such as semiconductor material. Likewise, for the closure of the container according to the invention with a second mask, a counterpart is produced = cover3 , which has corresponding elevations4 corresponding to the recesses2 , since the masks are geometrically identical. The mask technique allows a high precision in the production; it is known per se from semiconductor technology.

Bei der genannten Technik ist von Vorteil, ein kristallrichtungsabhängi­ges anisotropes Ätzverfahren anzuwenden, weil sich dadurch, unter Aus­nutzung der selbstbegrenzenden Wirkung von (111) Kristallebenen, Vertie­fungen mit hoher geometrischer Präzision und sehr engen Toleranzen rea­ lisieren lassen. Der Behälter inFig. 1 kann auf (100) Silizium herge­stellt werden, wobei die seitlich begrenzenden (111) Ebenen einen Winkel von 54,7° zur Scheibenoberfläche aufweisen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf obengenannte Ätztechniken beschränkt. Andere bekannte Arten der Einbringung von Vertiefungen in Halbleiter- oder ähnliches kristal­lines Material können angewandt werden, wie z.B. Laserstrahl-Bohren.In the technique mentioned, it is advantageous to use a crystal direction-dependent anisotropic etching process because, using the self-limiting effect of (111 ) crystal planes, recesses can be realized with high geometric precision and very tight tolerances. The container inFIG. 1 can be made of (100 ) silicon, the laterally delimiting (111 ) planes having an angle of 54.7 ° to the wafer surface. However, the invention is not limited to the above-mentioned etching techniques. Other known ways of making recesses in semiconductor or similar crystalline lines material can be used, such as laser beam drilling.

Der Deckel3 kann mit einer Erhebung4 versehen werden, die die gleiche 54,7°-Neigung zur Kristalloberfläche aufweist wie der Behälterblock1 im Bereich2 und dadurch einwandfrei dicht abschließt. Das gilt auch dann, wenn der Deckel eine Vielzahl von Erhebungen, und der Block1 eine Viel­zahl von Vertiefungen2 aufweist. Sollte die Paßgenauigkeit, der im Ätzverfahren hergestellten Erhebungen und Vertiefungen an Deckel3 und Block1 für einzelne Anwendungen von besonders gefährlichen Substanzen nicht ausreichen, kann zusätzlich eine umlaufende Dichtung verwendet werden.Fig. 5 zeigt eine Ausführung, die ihrerseits mit der 54,7°-Schräge der Erhebung4 des Deckels korrespondiert und mit einer weiteren einen Verschluß bilden. Außerdem können Klebstoffe oder andere Verbindungstechniken zur Erhöhung der Dichtheit angewandt werden. Insbe­sondere kann auch ein Laserstrahl im Naht-Schweißverfahren am umlaufen­den Rand des Deckels angewandt werden. Eine Vielzahl von Kavitäten2 ist nach Größe, Ausbildung und Verteilung im Block des Behälters nicht be­schränkt.The lid3 can be provided with an elevation4 , which has the same 54.7 ° inclination to the crystal surface as the container block1 in the area2 and thus seals perfectly. This also applies if the cover has a large number of elevations and the block1 has a large number of wells2 . If the accuracy of fit, the elevations and depressions on cover3 and block1 produced in the etching process are not sufficient for individual applications of particularly dangerous substances, a circumferential seal can also be used.Fig. 5 shows an embodiment which in turn corresponds to the 54.7 ° slope of the elevation4 of the lid and form a closure with another. Adhesives or other joining techniques can also be used to increase tightness. In particular, a laser beam can also be used in the seam welding process on the circumferential edge of the lid. A variety of cavities2 is not limited by size, design and distribution in the block of the container.

Die Kavitäten2 (und die Erhebungen4) können insbesondere quadrat-, rechteck-, kreisförmig, oval oder rautenförmig sein. Sie können sich nach unten hin verjüngen oder erweitern - vergleicheFig. 1 undFig. 2 - oder gleichen Querschnitt behalten, wenn sie z.B. mittels La­serstrahl gebohrt sind (Fig. 4). Sie können auch andere Querschnitte oder Formen aufweisen (Öffnungen, Kanäle bilden).The cavities2 (and the elevations4 ) can in particular be square, rectangular, circular, oval or diamond-shaped. You can taper downwards or expand - seeFig. 1 andFig. 2 - or keep the same cross-section, if they are drilled, for example, with a laser beam (Fig. 4). They can also have other cross sections or shapes (form openings, channels).

Eine zusätzliche Schicht oder Platte5 dient als Träger oder Zwischen­träger (wieder entfernbar) mit Vorteil aus gleichem Material, z.B. Sili­zium o. ä., als Boden des Behälters, ebenfalls hermetisch dicht ab­schließend.An additional layer or plate5 serves as a carrier or intermediate carrier (removable again), advantageously made of the same material, for example silicon or the like, as the bottom of the container, also hermetically sealing.

Die aus einem Blockmaterial herausgearbeitete Struktur1 bildet in vor­teilhafter Weise (für Massenherstellung) eine ebene Platte mit durchge­henden Kavitäten2 wie Öffnungen, Kanälen oder dergleichen gewünschter Form naß chemisch geätzt mit Vorteil aus Silizium während Deckel3 und Boden5 aus mit diesem Material der Struktur1 vorzugsweise gut verbind­baren, insbesondere hermetisch dicht abschließbarem Material bestehen wie Glas, Quarzglas, Glaskeramik oder Siliziumkunststoff oder Silizium­metallverbundmaterial.The worked out of a block material structure1 forms in a geous manner (for mass production) a flat plate with continuous cavities2 such as openings, channels or the like desired shape wet chemically etched with advantage of silicon while the lid3 and bottom5 from with this material Structure1 preferably well connectable, in particular hermetically sealable material such as glass, quartz glass, glass ceramic or silicon plastic or silicon metal composite material.

InFig. 6 ist wie dargestellt, der Boden5 noch zur Struktur1 hin mit einer Schicht7 belegt, die z. B. eine Filterschicht, eine Sedimentati­onsschicht, eine inerte, oder katalytische oder sonst reagierende Schicht eines Materials oder auch nur aufsaugenden Materials, sein kann. Ein Faservlies oder anderes großporiges oder mit großer offener Fläche versehenes Gewebevlies, Fasergelege, Schaumstoff oder ähnlich durchläs­siges Gebilde kann je nach Anwendungszweck (Sammeln, Aufbewahren, Rea­gieren) verwendet werden. Es kann sich um ein neutrales Trägermaterial oder um ein aktives Trägermaterial handeln, das für die Schicht7 be­nutzt wird und unterhalb könnten gegebenenfalls Ventile oder weitere Ein­richtungen (vgl.Fig. 8) angeordnet werden. Der Block1 mit den Kavitä­ten2 enthält diese vorteilhaft nach einem Rastermaß inX-Y über die Oberfläche des bevorzugten Siliziumkristalls verteilt angeordnet als Array bzw. in Matrixform (vgl.Fig. 3), so daß sie z.B. mittels automa­tischer Einrichtungen mit Substanzen befüllt, begast, beimpft, verdünnt, verarmt, abgesaugt oder dergl., vermischt oder zur Reaktion gebracht werden können. Die Zufuhr- oder Entnahmeorgane werden dann Zeile für Zeile programmgesteuert, bis die gesamte Oberfläche abgerastert ist, wie an sich bei Analyseautomaten oder Handhabungsautomaten oder Robotern für medizinische oder andere Forschungszwecke bekannt.InFig. 6, as shown, the bottom5 is still covered to the structure1 with a layer7 which z. B. a filter layer, a sedimentation layer, an inert, or catalytic or otherwise reactive layer of a material or just absorbent material. A non-woven fabric or other large-pore or with a large open area provided non-woven fabric, fiber fabric, foam or similar permeable structure can be used depending on the application (collecting, storing, reacting). It can be a neutral carrier material or an active carrier material which is used for the layer7 and below which valves or other devices (seeFIG. 8) could optionally be arranged. The block1 with the cavities2 advantageously contains these in a grid dimension inXY over the surface of the preferred silicon crystal, arranged as an array or in matrix form (seeFIG. 3), so that they are filled with substances, for example, by means of automatic devices. fumigated, inoculated, diluted, depleted, sucked off or the like., can be mixed or reacted. The feed or removal elements are then program-controlled line by line until the entire surface is scanned, as is known per se in automated analyzers or automatic handling machines or robots for medical or other research purposes.

Das Material des Blocks1 muß in jedem Fall inert sein gegenüber der Substanz, die untersucht, behandelt, verdünnt, gemischt werden soll oder zu einer Reaktion gebracht werden soll oder auf ihr Ausbleiben getestet wird (Vergleichs- oder Antitests).The material of block1 must in any case be inert to the substance which is to be examined, treated, diluted, mixed or brought to a reaction or is tested for its absence (comparative or anti-test).

Je nach dem Zweck, für den die Erfindung angewandt wird, können die Ka­vitäten für die Untersuchung oder Aufbewahrung (Lagerbehälter) größer gestaltet werden insbesondere, in dem die Kavitäten2 in Block1 nur Teil von Probe- oder Untersuchungs- oder Reaktionskammern sind - sieheFig. 7. Die Matrix oder Arrayanordnung inX-Y-Richtung wird wie vorbe­schrieben beibehalten und auch der im wesentlichen sandwichartige Aufbau nachFig. 6. Zusätzlich wird in der Deckplatte3 und in der Bodenplatte5 jeweils der Kavität eine weitere passende Vertiefung8 oder9 zugeord­net, die insgesamt gesehen das Kammervolumen oder Volumen der Kavität2 erheblich vergrößert. Nunmehr kann die Zu- oder Abfuhr eines Mediums auch in der Zeichenebene erfolgen, wenn z. B. das gleiche Medium allen Kammern zu- oder abgeführt werden soll.Depending on the purpose for which the invention is applied, the cavities for examination or storage (storage containers) can be made larger, in particular in which the cavities2 in block1 are only part of sample or examination or reaction chambers - seeFig. 7. The matrix or array arrangement in theXY direction is maintained as described above and also the essentially sandwich-like structure according toFig. 6. In addition, in the cover plate3 and in the base plate5 each of the cavities, a further suitable depression8 or9 assigned net, which overall seen the chamber volume or volume of the cavity2 significantly increased. Now a medium can also be supplied or removed at the drawing level if, for. B. the same medium should be supplied or discharged to all chambers.

In aller Regel werden für die eingangs genannten Zwecke Stoffe wie Fest­stoffe in einem Fluid untersucht; es können auch Gase in einer Flüssig­keit oder Gase oder Flüssigkeit in einem Feststoff untersucht werden. Dies gilt insbesondere für Immunreaktionen, für das Untersuchen von En­zymen oder Mikroorganismen. Es können bei Untersuchungen oder Analysen von Substanzen/Gemischen chemische oder physikalische Eigenschaften oder deren Änderung festgestellt werden hinsichtlich einer oder mehrerer Ei­genschaften wie Strömung, Dichte, Oberflächen- oder Grenzeffekte, beson­dere Merkmale von Teilchen, Durchlässigkeit, Reibung, Adhäsion. Es kann im einfachsten Falle ein Aufbewahren unter bestimmten Bedingungen wie Druck oder Vakuum über eine bestimmte Zeit untersucht werden oder unter äußerer Einwirkung kann eine Reaktion hierauf oder das Ausbleiben einer Reaktion untersucht werden. Äußere Einflüsse können sein: Strahlung, Wärmebehandlung, Anwendung von Reagenzien, das Messen der Veränderung von Stoffeigenschaften bei Hitze, Kälte, Dampf, Feuchtigkeit oder zuge­führten Stoffen/Partikeln, durch Anwendung elektrischer/elektrochemi­scher oder magnetischer Mittel, durch Anwendung von Schall, Infraschall, Ultraschall. Ferner können kolorimetrische, spektrophotometrische oder fluororometrische Untersuchungen, z. B. unter Verwendung von Reagenz­schichten wie Reagenzpapieren als Schicht7 durchgeführt werden. Heiz- und/oder Kühlelemente können in Form von jeweils temperierten Me­dien in Kanälen10 und11 z. B. durch die Platten3 und5 an die Kammern2 herangeführt werden oder es können Thermoelemente, insbesondere Pellet­tierelemente wenigstens teilweise im Bereich dieser Kavitäten angeordnet sein. Substanzen können mit fluoreszierenden Markierungen, mit radioak­tiven Markierungen oder mit Enzymmarkierungen mit Trägern oder ohne Trä­gern, gebunden oder trennbar, organisch oder anorganisch, mit Zellen oder Zellfragmenten, Gel oder anderem zum Nachweis von Mikroorganismen, Bakterien, Viren und anderem verwendet werden, aber auch zum Nachweis von Krebs, zur Bestimmung von einzelnen Stoffen im Blut oder zur Bestim­mung vom PH-Wert, von Blutzucker, von Blutcholesterin oder zur Feststel­lung von Narkotika oder anderem im Blut. Geeignete Untersuchungsmetho­den, insbesondere biologische/medizinische, chemikalische/physikalische sind bekannt, besonders bei Blutuntersuchung, zur Untersuchung von Seren etc. Auch Untersuchungsmethoden für andere Körperflüssigkeiten wie Lymphflüssigkeit, Urin etc. sind bekannt, je nachdem, ob kleine Teilchen markiert oder unmarkiert, organisch/anorganisch, mit oder ohne Träger bekannter Art verwendet werden, empfehlen sich Durchleuchtungen mittels Röntgenstrahlen, aber auch Untersuchungen mit Hilfe von Gammastrahlen, mit sichtbarem Infrarotlicht oder ultraviolettem Licht (optische Verfah­ren). Auswerteverfahren mit Hilfe von Lichtleitern sind beispielsweise inFig. 9 und 10 dargestellt. Bei Untersuchungen der Fließeigenschaften von Stoffen oder Stoffgemischen ist vorteilhaft, wieFig. 8 zeigt, den Zufluß, Abfluß oder beide (Durchfluß) mit Hilfe von Mikroventilen12 und13 in Deckel oder Boden5 des Blocks1 mit den Mikrokavitäten2 zu steu­ern. Die Mikroventile selbst sind an sich bekannt (vergl. z.B. EP 02 50 948 A2). Sie werden bevorzugt in dem gleichen Array bzw. in der gleichen Matrix inX-Y-Richtung angeordnet wie die Kavitäten2 im Block1 und ergeben dadurch eine einfache Auswertemöglichkeit für jeweilige Untersuchungen. Im Boden5 kann eine Schicht7 wie inFig. 6 angeordnet sein. Unterhalb des Bodens5 kann noch eine weitere Träger- oder Ab­schlußplatte14 angeordnet sein, die auch eine Erfassungseinrichtung z.B. Photoelemente in gleicher Arrayanordnung zur Auswertung an ein Mi­kroprozessor (hier nicht dargestellt). weiterleiten kann. Die Leitungen für Zu- und Abfuhr von Substanzen, Reagenzen etc. sind nicht darge­stellt, ebensowenig die Strahlenquellen, welche inFig. 8 vorteilhaft von oben, d. h. oberhalb des Deckels3, einstrahlen. Die Teile3 und5 können auch inFig. 8 mit Vorteil aus Glas, Quarzglas oder Siliziumkera­mik oder einem Silizium-Verbundwerkstoff bestehen und wenigstens teil­weise transparent, wenigstens teilweise verspiegelt sein. Deckel oder Boden können unter Umständen auch durch Folienbänder aus lichtundurch­lässigem Material wenigstens teilweise ersetzt werden, z.B. kann auch über den Deckel3, falls dieser die Mikroventile enthält, noch eine Kunststoffolie geklebt werden, die einen hermetisch dichten Verschluß herbeiführt, jedoch von einer Hohlnadel durchstochen werden kann. Folien oder Schichten können optisch durch- oder undurchlässig sein, sie können als Heizschichten10 oder Wärmesenke11 ausgeführt sein oder für opti­sche Zwecke spiegelnd/nichtspiegelnd, für bestimmte Wellenlängen durch­lässig, filternd, teiltransparent oder ähnlich ausgebildet sein. Auch sind Kohlenstoff oder Diamantschichten und/oder Maskenschichten, die zeit- bzw. teilweise kavitätenabdeckend sind, verwendbar.As a rule, substances such as solids in a fluid are examined for the purposes mentioned at the beginning; gases in a liquid or gases or liquid in a solid can also be examined. This applies in particular to immune reactions, to the investigation of enzymes or microorganisms. Chemical or physical properties or their changes can be determined in the course of investigations or analyzes of substances / mixtures with regard to one or more properties such as flow, density, surface or boundary effects, special characteristics of particles, permeability, friction, adhesion. In the simplest case, storage under certain conditions such as pressure or vacuum for a certain time can be investigated, or a reaction to this or the absence of a reaction can be investigated under external influence. External influences can be: radiation, heat treatment, application of reagents, measuring the change in material properties in heat, cold, steam, moisture or supplied substances / particles, by using electrical / electrochemical or magnetic means, by using sound, infrasound , Ultrasound. Furthermore, colorimetric, spectrophotometric or fluororometric studies, e.g. B. using reagent layers such as reagent papers are performed as layer7 . Heating and / or cooling elements can in the form of tempered media in channels10 and11 z. B. through the plates3 and5 to the chambers2 or thermocouples, in particular pellet animal elements can be arranged at least partially in the region of these cavities. Substances can be used with fluorescent labels, with radioactive labels or with enzyme labels with or without carriers, bound or separable, organic or inorganic, with cells or cell fragments, gel or other for the detection of microorganisms, bacteria, viruses and others, but also for the detection of cancer, for the determination of individual substances in the blood or for the determination of the pH value, blood sugar, blood cholesterol or for the determination of narcotics or other substances in the blood. Suitable methods of investigation, especially biological / medical, chemical / physical, are known, especially for blood tests, for the examination of sera etc. Also test methods for other body fluids such as lymphatic fluid, urine etc. are known, depending on whether small particles are marked or unmarked, organically / Inorganic, with or without a carrier of known type, X-rays are recommended, but also examinations with the help of gamma rays, with visible infrared light or ultraviolet light (optical method). Evaluation methods with the aid of light guides are shown, for example, inFIGS. 9 and 10. In studies of the flow properties of substances or mixtures of substances, as shown inFIG. 8, it is advantageous to control the inflow, outflow or both (flow) with the help of microvalves12 and13 in the lid or bottom5 of block1 with the microcavities2 Micro valves themselves are known per se (see, for example, EP 02 50 948 A2). They are preferably arranged in the same array or in the same matrix in theXY direction as the cavities2 in the block1 and thus provide a simple evaluation option for the respective examinations. A layer7 can be arranged in the bottom5 as inFIG. 6. Below the bottom5 , a further carrier or end plate14 can be arranged, which also has a detection device, for example photo elements in the same array arrangement, for evaluation to a microprocessor (not shown here). can forward. The lines for supplying and removing substances, reagents, etc. are not shown, nor are the radiation sources, which inFIG. 8 advantageously radiate from above, ie above the cover3 . The parts3 and5 can also inFIG. 8 advantageously consist of glass, quartz glass or silicon ceramic or a silicon composite material and be at least partially transparent, at least partially mirrored. The lid or bottom can also be replaced, at least in part, by foil tapes made of opaque material, e.g. a plastic film can also be glued over the lid3 , if it contains the microvalves, which creates a hermetically sealed seal, but is pierced by a hollow needle can be. Foils or layers can be optically opaque or opaque, they can be designed as heating layers10 or heat sink11 or for speci cal purposes mirroring / non-reflecting, for certain wavelengths through casual, filtering, partially transparent or similar. Carbon or diamond layers and / or mask layers that cover the time or partially the cavity can also be used.

Die Mikroventile können in an sich bekannter Weise angesteuert und ange­trieben werden oder in der Art und Weise wie in der deutschen Patentan­meldung P 38 11 052.0-31 beschrieben. Die Reaktion in den Kavitäten kann dann durch Bewegen z.B. auf piezoelektrischen Wege, magnetisch, elektro­statisch oder ähnlich erfolgen. Dabei kann eine Nährlösung, ein Mutant, ein Reganz oder ähnliches verdünnt, angereichert, dosiert werden und die Verweilzeit durch jeweiliges Schließen und Öffnen der Mikroventile ge­steuert werden. Die Wärmebehandlung oder Kühlbehandlung kann mittels Peltierelementen, Wärmeröhren, Thomson-Joule-Kühler oder ähnlichem durchgeführt werden.The microvalves can be activated and activated in a manner known per sebe driven or in the manner as in the German patentmessage P 38 11 052.0-31. The reaction in the cavities canthen by moving e.g. piezoelectric, magnetic, electrostatic or similar. A nutrient solution, a mutant,a regance or the like is diluted, enriched, dosed and theDwell time by closing and opening the micro valvesbe controlled. The heat treatment or cooling treatment can be carried out usingPeltier elements, heat pipes, Thomson-Joule coolers or the likebe performed.

Als Sensoren, angeordnet im gleichen Array in der untersten Schicht, werden wiederum Siliziumsensoren bevorzugt, insbesondere zur Untersu­chung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften wie Schwarz­weiß- oder Grauwert, Kontrast, Trübung, Transmission, Transparenz, Re­flektion, Leitfähigkeit, Widerstand, Kapazität, Druck, Dehnung, Tempera­turvolumen, -menge, -zeit usw. Zur Auswertung werden die Meßwerte an ei­nen nicht dargestellten Mikroprozessor oder Mikrocomputer weitergegeben. Die Auslesung kann in an sich bekannter Art und Weise folgen, wenn die Auswertung optisch erfolgt, z. B. nach Art der P 38 17 153.8-33.As sensors, arranged in the same array in the lowest layer,silicon sensors are again preferred, in particular for investigationof physical or chemical properties such as blackwhite or gray value, contrast, turbidity, transmission, transparency, reflexion, conductivity, resistance, capacity, pressure, elongation, temperature volume, quantity, time, etc. For evaluation, the measured values are sent to an eggNEN not shown microprocessor or microcomputer passed.The reading can follow in a manner known per se if theEvaluation is done optically, e.g. B. in the manner of P 38 17 153.8-33. 

Die Speicherung bzw. Dokumentation der Daten des Meß- oder Testprogramms sowie die Speicherung von z.B. Patientendaten oder Krankheitsdaten oder Daten von Seren oder Pharmaka kann auf dem gleichen Chip erfolgen (un­terste Schicht inFig. 8 bis 10). Die Speicherung kann entweder mit Hil­fe eines optischen Speichers erfolgen, z. B. nach der DE-OS 38 04 751 mit amorphen Silizium als Speichermedium (Blasenspeicher) oder als inte­grierter Halbleiterspeicher (DE-OS 38 17 153) oder mit einem RAM-Bauele­ment (P 37 01 295.9-52). WieFig. 9 zeigt, ist es in einfacher Weise möglich bei einer optischen bzw. optoelektronischen Auswertung einen Lichtwellenleiter15 zu verwenden, der die Mikrokammer oder Kavität2 im Block1 durchsetzt oder an sie heranreicht und im interessanten Bereich von seinem Mantel abgeätzt ist und z. B. zur Herbeiführung einer Reaktion beschichtet ist insbesondere mit Substrat.The storage or documentation of the data of the measurement or test program and the storage of, for example, patient data or disease data or data from sera or pharmaceuticals can be carried out on the same chip (bottom layer in FIGS. 8 to 10). The storage can be done either with the help of an optical memory, e.g. B. according to DE-OS 38 04 751 with amorphous silicon as a storage medium (bubble memory) or as inte grated semiconductor memory (DE-OS 38 17 153) or with a RAM component (P 37 01 295.9-52). AsFIG. 9 shows, it is possible in a simple manner to use an optical waveguide15 in an optical or optoelectronic evaluation, which passes through the micro-chamber or cavity2 in block1 or approaches it and is etched from its jacket in the interesting area and z . B. is coated to bring about a reaction, in particular with substrate.

Abwandlungen der Ausführung nachFig. 9 sind vielfältig möglich, insbe­sondere zur photoelektrischen oder anderen lichtelektrischen Auswertung nicht nur mit Hilfe von Lichtleitern. Die Lichtleiter sind vorzugsweise in V-Gruben, an deren Boden anliegend fest angeordnet und nicht nur durchgehend möglich, sondern auch schräg abgeschnitten entsprechend der Neigung der Grube, und wenigstens Teilflächen15a,15b des Lichtleiters15 (Schnittfläche) oder der V-Grube sind verspiegelt. Die Anordnung kann parallel zur Grube, quer zur Grube von oben oder von unten unter einem 90°-Winkel, 180° oder ähnlichem erfolgen. Die Lichtwellenleiter werden herausgeführt und sind zur Auswertung an Photozellen, wie Liniensensoren oder Arrays, angeschlossen zwecks analoger oder bevorzugt digitaler Aus­lesung. Die Auslesung kann in Zeilen und Reihen erfolgen, z.B. durch Scanner mit Hilfe eines photoelektrischen Liniensensors wie in der DE-OS 38 04 200 beschrieben. Dabei kann ein optischer Bus verwendet wer­den. Ein geeignetes optisches Datensystem ist beschrieben in der DE-PS 36 19 778. Sender und Empfänger, insbesondere Dioden können in die Baueinheit integriert sein. Die Gruben sind in ihrem V-Winkel (Steilheit einstellbar bzw. veränderbar, siehe DE-OS 36 13 181). Integrierte opti­sche Wellenleiter und ihr Aufbau und Anwendungen sind beschrieben in der Zeitschrift Laser und Optoelektronik, Nr. 4, 1986, Seiten 323 bis 336. Auf Seite 338 der gleichen Zeitschrift sind auch Anwendungen von Lichtwellenleitersensoren in der Medizin beschrieben.Modifications of the embodiment according toFIG. 9 are possible in many ways, in particular for photoelectric or other photoelectric evaluation in particular not only with the aid of light guides. The light guides are preferably in V-pits, fixed to the bottom and not only continuously, but also cut obliquely according to the inclination of the pit, and at least partial areas15a ,15b of the light guide15 (cut surface) or the V-pit are mirrored. The arrangement can be parallel to the pit, transverse to the pit from above or below at a 90 ° angle, 180 ° or the like. The optical fibers are led out and are connected to photocells, such as line sensors or arrays, for the purpose of analog or, preferably, digital reading. The reading can be done in rows and rows, for example by a scanner using a photoelectric line sensor as described in DE-OS 38 04 200. An optical bus can be used for this. A suitable optical data system is described in DE-PS 36 19 778. Transmitter and receiver, in particular diodes, can be integrated in the structural unit. The pits can be adjusted or changed in their V-angle (slope, see DE-OS 36 13 181). Integrated optical waveguides and their structure and applications are described in the magazine Laser and Optoelectronics, No. 4, 1986, pages 323 to 336. On page 338 of the same magazine, applications of optical fiber sensors in medicine are also described.

InFig. 10 ist ein Block1 mit Boden5 und Deckel3 mit Mikrokavitäten2 dargestellt, insbesondere erweitert durch Ausnehmungen im Deckel3 und Boden5 - ähnlich derFig. 7 - wobei jedoch oberhalb der in Array-Anord­nung liegenden Mikrokavitäten2 jeweils Behandlungsöffnungen, Ventile, Zu- und Abfuhrorgane, Fenster, Dotierungsbereiche usw. entsprechend dem Kammervolumen im Deckel3 angebracht sind, während im Boden5 z.B. ein Array aus photoelektrischen Zellen oder ein CCD-Array oder ein MOS-Feld­effekttransistor angeordnet ist, der zum Auslesen und Auswerten z.B. über den vorher erwähnten optischen oder einen elektrischen Bus an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist, insbesondere mit Mikroprozessoren der Mikrocomputer. Ein Lichtgriffel16 tastet reihen- und zeilenweise das Array ab, z.B. im Binärcode 8×8 Mikrokavitäten bzw. Zellen oder 10×10 für direkte Digitalabfrage. Anstelle des Lichtgriffels16 kann auch ein piezoelektrischer, ein kapazitiver, ein magnetischer oder elektrischer Fühler Anwendung finden. Der Stift16 ist dann zum Anlegen einer Span­nung, Kraft- oder Lichteinstrahlung oder ähnlichem geeignet, durch die Fenster17 im Deckel3 hindurch in die Kammern2 des Blocks1 zur direk­ten Auslese, z.B. über ein CCD-Array in gleicher Anordnung wie die Mi­krokavitäten oder Zellen, hier angedeutet durch die CCD-Zellen17′. In gleicher Weise kann auch ein MOSFET- oder ein RAM-Bauelement angeordnet sein. Die Auslesung kann auch mit Bauelementen der integrierten Optik durchgeführt werden, insbesondere berührungslos und zweidimensional (vgl. die DE-OS 36 05 018 oder die US-PS 47 78 989). Anstelle des Licht­griffels16 könnte auch eine ionenselektive Meßelektrode als auswechsel­bares Sensorelement verwendet werden, insbesondere zum Messen der Ionen­aktivitäten in Flüssigkeiten und an Gewebeoberflächen. Derartige ionen­selektive Meßsysteme sind bekannt und im Handel. Sie beruhen auf einem reinen elektrischen Auswerteprinzip im Gegensatz zur Ausführung derFig. 9, die z.B. zur optischen Bestimmung der katalytischen Enzymaktivität einer Substanzprobe verwendet wird, wobei die durch die emzymatische Re­aktion bedingte Änderung spektraler Eigenschaften eines Enzymsubstrates bzw. dessen Reaktionsprodukte pro Zeiteinheit erfaßt werden. Das Enzym­substrat wird dem freigelegten Bereich eines Lichtleiters zugeordnet, mit dem die zu messende Probensubstanz in Kontakt gebracht wird.InFig. 10, a block1 with bottom5 and lid3 with microcavities2 is shown, in particular expanded by recesses in the lid3 and bottom5 - similar toFIG. 7 - but above the microcavities in array arrangement2 each treatment openings , Valves, supply and discharge elements, windows, doping areas, etc. are attached in accordance with the chamber volume in the lid3 , while in the bottom5, for example, an array of photoelectric cells or a CCD array or a MOS field effect transistor is arranged for reading and Evaluation is connected to an evaluation unit, for example via the aforementioned optical or an electrical bus, in particular with microprocessors of the microcomputers. A light pen16 scans the array in rows and rows, for example in binary code 8 × 8 microcavities or cells or 10 × 10 for direct digital interrogation. Instead of the light pen16 , a piezoelectric, a capacitive, a magnetic or an electrical sensor can also be used. The pin16 is then suitable for applying a voltage, force or light or the like, through the window17 in the lid3 through into the chambers2 of the block1 for direct readout, for example via a CCD array in the same arrangement as that Mi crocavities or cells, indicated here by the CCD cells17 '. A MOSFET or a RAM component can also be arranged in the same way. The reading can also be carried out using components of the integrated optics, in particular in a contactless and two-dimensional manner (cf. DE-OS 36 05 018 or US Pat. No. 4,778,989). Instead of the light pen16 , an ion-selective measuring electrode could also be used as an exchangeable sensor element, in particular for measuring the ion activities in liquids and on tissue surfaces. Such ion selective measuring systems are known and commercially available. They are based on a purely electrical evaluation principle in contrast to the embodiment inFIG. 9, which is used, for example, for the optical determination of the catalytic enzyme activity of a substance sample, the change in spectral properties of an enzyme substrate or its reaction products caused by the enzymatic reaction being recorded per unit of time . The enzyme substrate is assigned to the exposed area of a light guide with which the sample substance to be measured is brought into contact.

Bei der Ausführung nachFig. 10 empfiehlt sich eine Auswertung mit Hilfe eines CCD-Arrays, z.B. nach DE-OS 38 17 153 oder mit Hilfe von Halblei­tern nach DE-OS 37 15 674 oder mit Hilfe von Flüssigkristallelementen, wie z.B. in der DE-PS 36 02 796 beschrieben. Mit derartigen Elementen ist eine direkte Speicherung eines Test- oder Analysenergebnisses mög­lich und jederzeit gezielt abfragbar, auch nach einzelnen Mikrokavitäten.In the embodiment according toFIG. 10, an evaluation with the aid of a CCD array, for example according to DE-OS 38 17 153 or with the help of semiconductors according to DE-OS 37 15 674 or with the help of liquid crystal elements, as for example in DE, is recommended -PS 36 02 796. With such elements, a direct storage of a test or analysis result is possible and can be queried at any time, even for individual microcavities.

In denFig. 11 und 12 sind den zu untersuchenden Eigenschaften angepaßte optronische/elektronische Sensoren dargestellt, die allgemein unter dem Begriff "Biosensoren" bekannt sind. Solche Biosensoren arbeiten im all­gemeinen mit Feldeffekttransistor18 in Siliziumtechnologie. Zusammen hergestellt hat der Biosensor dabei eine biologische Komponente auf der Oberfläche, die mit dem Gate des Transistors verbunden ist. Diese biolo­gische Komponente oder das Reagenz- oder Enzymsubstrat19 muß zur je­weils gewünschten Reaktion fähig sein. Dann kann man, nachdem der Ar­beitsbereich optimal eingestellt ist, z. B. bei R mit Hilfe einer oder mehrerer SpannungsquellenU1,U2, Spannung an Drain and Source anlegen und bei Ionenaktivität entsprechende Veränderungen messen. Die Messung kann nachFig. 12 auch auf photoelektrischem Wege mit Hilfe von Licht­leitern zwischen Sender und Empfänger, wie Dioden, Lasern, integriert erfolgen. Ein Biosensor der hier in Rede stehenden Art ist in der DE-PS 36 34 573 beschrieben.FIGS. 11 and 12 show optronic / electronic sensors which are adapted to the properties to be investigated and which are generally known under the term “biosensors”. Such biosensors generally work with field effect transistor18 in silicon technology. Manufactured together, the biosensor has a biological component on the surface that is connected to the gate of the transistor. This biological component or the reagent or enzyme substrate19 must be capable of the desired reaction. Then you can, after the Ar beitsbereich is optimally set, for. B. at R using one or more voltage sourcesU1 ,U2 , apply voltage to drain and source and measure corresponding changes in ion activity. The measurement can also take place in an integrated manner according toFIG. 12 by photoelectric means with the aid of light guides between the transmitter and receiver, such as diodes, lasers. A biosensor of the type in question is described in DE-PS 36 34 573.

InFig. 13 ist ein Sensor auf einem Siliziumwafer20 rein schematisch dargestellt, wobei ein Sensorchip21 zur Reaktion mit der Substanzprobe gebracht wird, z. B. einer Bodenprobe, einer Flüssigkeitsprobe, einer Le­bensmittelprobe oder einer Gewebeprobe mit Schadstoffen darin, deren An­teil z. B. bestimmt werden soll. Es kann auch ein Sauerstoffbedarf oder Sauerstoffgehalt oder ähnliches bestimmt werden. Der Sensor ist ein üb­licher Termistor- bzw. Leitfähigkeitssensor. Auch Schall- oder Ultra­schall- oder Infraschallsensoren sind geeignet, wenn die Probe hiermit beaufschlagt werden soll. Miniaturmikrofone sind bekannt.InFig. 13, a sensor on a silicon wafer20 is shown purely schematically, wherein a sensor chip21 is caused to react with the substance sample, for. B. a soil sample, a liquid sample, a food sample or a tissue sample with pollutants therein, the part of which, for. B. to be determined. An oxygen demand or oxygen content or the like can also be determined. The sensor is a usual termistor or conductivity sensor. Sound or ultrasound or infrasound sensors are also suitable if the sample is to be exposed to them. Miniature microphones are known.

InFig. 14 ist das Ausführungsbeispiel eines Testautomaten dargestellt. Ein Mikrocomputer oder Mikroprozessor übernimmt die Steuerung des Test­ ablaufs nach einem vorgegebenen Testprogramm. Das Programm kann in einem externen Speicher auswechselbar enthalten sein, z.B. in einem PROM oder EPROM oder einem löschbaren Schreiblesespeicher. Patientendaten, Daten der zu testenden Stoffe, der Reagenzien etc. sind ebenfalls austauschbar und nach Ablauf eines Tests werden die Testergebnisse im Mikrocomputer oder Mikroprozessor ebenfalls gespeichert, insbesondere in einem Spei­cher für wahlfreien Zugriff und die Aufzeichnung selbst dokumentierend, z.B. als CCD-Bild, Wärmebild oder auf Magnetband piezoresistiv, elektro­statisch bzw. ferroelektrisch etc.InFig. 14, the embodiment is shown of a test machine. A microcomputer or microprocessor controls the test sequence according to a predefined test program. The program can be exchangeably contained in an external memory, for example in a PROM or EPROM or an erasable read / write memory. Patient data, data of the substances to be tested, the reagents, etc. are also interchangeable and after a test has been completed, the test results are also stored in the microcomputer or microprocessor, in particular in a memory for random access and self-documenting, for example as a CCD image, Thermal image or piezoresistive on magnetic tape, electrostatic or ferroelectric etc.

Im Ausführungsbeispiel nachFig. 14 ist ein Filmträger23 dargestellt, auf dem Makrochips aus einer Vielzahl einzelner Chips nach denFig. 1 bis 5 aufgeklebt oder lösbar befestigt ist, wobei der Filmträger eine Transportperforation24 aufweist, um den Film mit den üblichen Film­transporten, wie Malteserkreuz von Rolle zu Rolle über eine Behandlungs­zeit des Programms gesteuert, und von Station zu Station25, d.h. hier I-X, zu führen. Dabei werden zunächst ein oder mehrere Stoffe nach dem Testprogramm in die Mikrokavitäten der Chips in Station I eingefüllt. In Station II erfolgt dann eine Reaktion, entweder mit oder ohne Behand­lung, und nach Ablauf einer Reaktionszeit wird automatisch gemessen und weitertransportiert in die Teststation III, um gegebenenfalls weitere Tests durchzuführen, wobei die Testergebnisse automatisch den einzelnen Kavitäten zugeordnet werden, gegebenenfalls einzelnen Probesubstanzher­künften, sowie Patienten. Die Selbstdokumentation und Speicherung er­folgt im Mikrocomputer oder Mikroprozessor22 zur automatischen Test­steuerung und Testanwendung.In the exemplary embodiment according toFIG. 14, a film carrier23 is shown, on which macrochips made of a plurality of individual chips according to FIGS. 1 to 5 are glued or detachably fastened, the film carrier having a transport perforation24 in order to transport the film with the usual film, like Maltese cross controlled from roll to roll over a treatment time of the program, and from station to station25 , ie here IX. First, one or more substances are filled into the microcavities of the chips in station I according to the test program. A reaction then takes place in station II, either with or without treatment, and after a reaction time has elapsed, measurements are automatically carried out and transported to test station III in order to carry out further tests if necessary, the test results being automatically assigned to the individual cavities and possibly individual test substances , as well as patients. The self-documentation and storage he follows in the microcomputer or microprocessor22 for automatic test control and test application.

Die Erfindung beschreibt ferner eine Vorrichtung für einen mikromechani­schen Wärmetauscher, insbesondere Joule-Thomson-Kühler.The invention further describes a device for a micromechanical deviceheat exchangers, especially Joule-Thomson coolers.

Nach dem bisherigen Stand der Technik befinden sich auf dem Markt ver­schiedene Ausführungen von miniaturisierten Wärmetauschern, wie Joule-Thomson-Kühlern. Sie zeichnen sich alle durch sehr hohe Stückko­sten aus.According to the current state of the art, there are verdifferent versions of miniaturized heat exchangers, such asJoule-Thomson coolers. They are all characterized by very high piece countout. 

Ein am Markt erhältlicher Joule-Thomson-Kühler (z.B. Fa. Hymatik) be­sitzt eine sehr lange Metallspirale, die auf der Oberfläche eines Kegels aufgewickelt ist. Die Gesamtanordnung befindet sich in einem Dewar-Ge­häuse, wobei das expandierte Gas großflächig über die mit Kühlrippen versehene Metallspirale zwischen Dewarwand und Kegeloberfläche zurück­strömt.A Joule-Thomson cooler (e.g. from Hymatik) on the marketa very long metal spiral sits on the surface of a coneis wound up. The overall arrangement is in a Dewar-Gehousing, the expanded gas covering a large area with the cooling finsmetal spiral between the Dewar wall and the cone surfaceflows.

Eine andere Anordnung, die von W.A. Little (AIP Proceedings of Future Trends in Superconductive Electronics; p. 421, University of Virginia, Charlottesville, 1978, veröffentlicht wurde, besteht aus mehreren, zu­sammengeklebten Glasplatten, in die laterale Kühlkanäle eingearbeitet wurden. Diese Kühler sind wenig effektiv, da aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Glases der Wirkungsgrad des Wärmetauschers be­grenzt ist.Another arrangement, developed by W.A. Little (AIP Proceedings of FutureTrends in superconductive electronics; p. 421, University of Virginia,Charlottesville, published in 1978, consists of several, tooglued glass plates, worked into the lateral cooling channelswere. These coolers are less effective because of the bad onesThermal conductivity of the glass the efficiency of the heat exchanger beis bordered.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen miniaturisierten Wärmetau­scher, insbesondere Joule-Thomson-Kühler zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist und eine gesteigerte Tauscherleistung erbringt.The invention has for its object a miniaturized heat ropeshear, especially Joule-Thomson cooler to create the inexpensiveis producible and provides an increased exchanger performance.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem im Unterschied zu bekannten, bei diesem Miniaturkühler die Strömungskanäle eines Plattenwärmetauschers vertikal in einem dünnen Substrat angeordnet sind. Dieses Substrat wird (sand­wichartig) von zwei Deckplatten eingeschlossen, in die Verbindungskanäle eingearbeitet sind, die die vertikalen Kanäle des Substrates, im Quer­schnitt gesehen, zu einem Mäander schließen. Die einzelnen Zellen des Wärmetauschers werden auf dem Substrat (von oben betrachtet) spiralen­förmig angeordnet. Im Zentrum des Substrates liegt eine Expansionskam­mer, in der die Hauptkühlleistung erzeugt wird. Das hochkomprimierte Gas mäandert auf der Wärmetauscherspirale von außen nach innen, expandiert in der zentralen Expansionskammer, und wird dann im Gegenstrom über Ka­näle mit wesentlichen erweitertem Querschnitt auf der Spirale wieder nach außen geführt, wobei es das einströmende Gas bereits vorkühlt. Um den großen radialen Temperaturgradienten über das Substrat aufrechter­halten zu können und die Verluste durch Wärmeleitung im Substrat und in den Deckplatten möglichst klein zu halten, werden zwischen den einzelnen Armen der Spiralen vertikale Trennkanäle eingearbeitet. Die Gesamtanord­nung wird oben und unten mit zwei Isolierplatten mit möglichst geringer Wärmeleitung versehen (z.B. Glas). Es können auch Glasdeckplatten direkt mit der zentralen Platte verbunden sein (sandwichartig).This task is solved, unlike known ones, at thisMiniature cooler the flow channels of a plate heat exchanger verticallyare arranged in a thin substrate. This substrate is (sandenclosed) by two cover plates, in the connecting channelsare incorporated, the vertical channels of the substrate, in the crossseen cut, close to a meander. The individual cells of theHeat exchangers will spiral on the substrate (viewed from above)arranged in a shape. There is an expansion cam in the center of the substratein which the main cooling output is generated. The highly compressed gasmeanders from outside to inside on the heat exchanger spiral, expandsin the central expansion chamber, and is then countercurrent via Kachannels with a substantially enlarged cross-section on the spiral againled to the outside, already pre-cooling the inflowing gas. Aroundthe large radial temperature gradient across the substrateto keep and the losses due to heat conduction in the substrate and inTo keep the cover plates as small as possible are between the individual Arms of the spirals incorporated vertical separation channels. The total arrangementvoltage is provided at the top and bottom with two insulating plates with the lowest possibleProvide heat conduction (e.g. glass). It can also cover glass panels directlybe connected to the central plate (sandwich-like).

Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Kühlung von Infrarot-CCD′s. Als Kühlmedium wird ein hochkomprimiertes Gas (z. B. Stickstoff) verwen­det, wobei als Grenztemperatur der Siedepunkt des Gases erreicht werden kann (in der zentralen Expansionskammer).The invention is particularly suitable for cooling infrared CCD's.A highly compressed gas (e.g. nitrogen) is used as the cooling mediumdet, the boiling point of the gas being reached as the limit temperaturecan (in the central expansion chamber).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigenThe invention is described below with reference to the drawingEmbodiments explained. Show it

Fig. 15 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher als Joule-Thom­son-Kühler im Bereich der Hochdruckkanäle,Fig. 15 is a cross section through a heat exchanger as a Joule-Thom son cooler in the high-pressure channels

Fig. 16 Draufsicht auf eine elementare Wärmetauscherzelle des Joule-Thomson-Kühlers im Bereich der zentralen Siliziumscheibe,Fig. 16 top plan view of an elementary cell heat exchanger of the Joule-Thomson cooler in the area of the central silicon wafer,

Fig. 17 einen Querschnitt durch den Joule-Thomson-Kühler im Bereich der Niederdruckkanäle,Fig. 17 is a cross section through the Joule-Thomson cooler in the low pressure channels,

Fig. 18 eine Gesamtanordnung der elementaren Wärmetauscherzellen sowie der Expansionskammer im Zentrum der Siliziumscheibe.Fig. 18 is an overall arrangement of the elementary heat exchanger cells, as well as the expansion chamber in the center of the silicon wafer.

Im folgenden wird eine Ausführungsform des Joule-Thomson-Kühlers be­schrieben. Die Gesamtanordnung besteht aus drei bearbeiteten Silizium­scheiben1,1a,1b, die miteinander verbunden werden und zwei Deckplat­ten, z. B. aus Glas3, 5, die ihrerseits mit den Siliziumscheiben verbun­den werden gemäßFig. 1.An embodiment of the Joule-Thomson cooler will now be described. The overall arrangement consists of three processed silicon wafers1 ,1a ,1b , which are connected together and two Deckplat th, z. B. of glass3, 5 , which in turn are verbun with the silicon wafers according toFIG. 1st

Fig. 15 zeigt einen Querschnitt der Gesamtanordnung durch die kleineren Kühlkanäle26. In den oberen und unteren Siliziumscheiben werden Vertie­fungen27 hineingeätzt, die die Kanäle der zentralen Siliziumscheibe zu Mäandern schließen. Diese Vertiefungen werden ebenfalls in (110) Silizi­umscheiben hineingeätzt, wobei deren Tiefe durch die Kristallographie selbstständig begrenzt wird. Das Ätzen erfolgt anisotropisch im Batch­verfahren.Fig. 15 shows a cross section of the overall assembly by the smaller cooling channels26. In the upper and lower silicon wafers are recesses27 etched, which close the channels of the central silicon wafer to meander. These depressions are also etched into (110 ) silicon disks, the depth of which is independently limited by the crystallography. The etching is carried out anisotropically in a batch process.

In die zentrale Siliziumscheibe sind vertikale Kanäle26 eingearbeitet, die das hin- und rückströmende Gas führen und gleichzeitig durch die dünnen Trennwände als Wärmetauscher dienen. Eine elementare Zelle dieses Wärmetauschers ist inFig. 16 dargestellt. Die inneren, kleineren Kanäle26 führen das komprimierte (z. B. typischerweise auf 50-100 bar), hin­strömende Gas. Die äußeren, großen Kanäle29 sind untereinander verbun­den, so daß sie einen Kanal mit großem Querschnitt für das rückströmen­de, expandierte Gas bilden. Die Trennwände im Außenbereich28 haben le­diglich die Aufgabe, für einen möglichst effektiven Wärmeaustausch und mechanische Stabilität zu sorgen. Die stärker ausgelegten Wände zwischen Hoch- und Niederdruckkanälen30 müssen die gesamte Druckdifferenz auf­fangen und gleichzeitig einen guten Wärmeübergang ermöglichen. Die spe­zielle Geometrie der Kanäle ist bei dieser Ausführung durch die kristal­line Struktur des Siliziums bedingt, mit senkrechten (111) Ebenen auf (110) Scheiben.Vertical channels26 are incorporated into the central silicon wafer, which guide the gas flowing back and forth and at the same time serve as a heat exchanger through the thin partition walls. An elementary cell of this heat exchanger is shown inFig. 16. The inner, smaller channels26 lead the compressed (e.g. typically to 50-100 bar) flowing gas. The outer, large channels29 are interconnected, so that they form a channel with a large cross section for the backflow de, expanded gas. The partitions in the outer area28 le diglich the task of ensuring the most effective heat exchange and mechanical stability. The stronger walls between high and low pressure channels30 must absorb the entire pressure difference and at the same time allow good heat transfer. The special geometry of the channels in this version is due to the crystalline line structure of the silicon, with vertical (111 ) planes on (110 ) disks.

Fig. 17 zeigt einen Querschnitt durch den äußeren Bereich der Kanäle29 für das rückströmende Gas. Hier werden die äußeren Siliziumscheiben1a und1b vollständig durchgeätzt, um einen möglichst großen Querschnitt für die Mäander des expandierten Gases zu bekommen.Fig. 17 shows a cross section through the outer area of the channels29 for the returning gas. Here, the outer silicon wafers1a and1b are completely etched through in order to obtain the largest possible cross section for the meanders of the expanded gas.

Die Gesamtanordnung der einzelnen Wärmetauscherzellen auf der zentralen Siliziumscheibe ist inFig. 18 dargestellt. Die Zellen werden nebenein­ander angeordnet und spiralenförmig vom Außenbereich in das Zentrum der Scheibe geführt. In der Scheibenmitte befindet sich eine Expansionskam­mer31, in der die Kühlleistung erzeugt wird. Über dieser Kammer kann z. B. unmittelbar ein zu kühlendes Siliziumchip o. ä. Halbleiter- oder IC′s angeordnet werden. Die einzelnen Spiralarme werden untereinander durch Trennkanäle32,33 thermisch isoliert.The overall arrangement of the individual heat exchanger cells on the central silicon wafer is shown inFIG. 18. The cells are arranged next to each other and guided in a spiral from the outer area to the center of the disk. In the center of the pane there is an expansion chamber31 in which the cooling capacity is generated. About this chamber z. B. immediately a silicon chip to be cooled or the like. Semiconductors or ICs can be arranged. The individual spiral arms are thermally insulated from one another by separation channels32 ,33 .

Der neuartige mikromechanische Joule-Thomson-Kühler zeichnet sich gegen­über den bestehenden Systemen vor allem dadurch aus, daß er mit den be­kannten Batch-Prozeßverfahren der Mikromechanik, wie sie bei der Her­stellung von Halbleiterbauelementen angewandt werden, wesentlich billi­ger hergestellt werden kann. Ferner ist aufgrund der vertikalen Anord­nung der Kühlkanäle und der häufigen Mäander eine sehr gute Verwirbelung des Gases und damit ein hoher Wirkungsgrad des Wärmetauschers zu erwar­ten. Des weiteren kann ein zu kühlendes Halbleiterchip unmittelbar in die System- oder Gesamtanordnung integriert werden, so daß die Kälte­leistung ohne weitere Trennwände direkt am Chip entsteht.The new micromechanical Joule-Thomson cooler stands outabove the existing systems mainly from the fact that he with the beknew batch process methods of micromechanics, as in the HerPosition of semiconductor devices are used, much cheaperger can be produced. Furthermore, due to the vertical arrangementcooling channels and the frequent meandering a very good swirlof the gas and thus a high efficiency of the heat exchangerFurthermore, a semiconductor chip to be cooled can be directly inthe system or overall arrangement can be integrated so that the coldperformance without additional partitions directly on the chip.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines bestimmten Mediums für den Wärmetausch beschränkt. Außerdem ist die Führung der Medien nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Auch Wärmeröhren (heat pipes) sind anwendbar.The invention is not based on the use of any particular mediumlimited heat exchange. Besides, the leadership of the media is notlimited to the illustrated embodiment. Also heat pipes(heat pipes) are applicable.

Claims (15)

Translated fromGerman

1. Mikromechanische Struktur mit Kavitäten, Behältern, Öffnungen, Kanälen, Vertiefungen, Erhebungen oder ähnlichem für Untersuchungen von Probesubstanzen auf etwaige Änderungen physikalischer und/oder chemi­scher Eigenschaften unter gezielter Auswertung und Dokumentation für die Zwecke der Biotechnologie, Gentechnologie, Zell- und Immunforschung und anderer medizinischer, agrarischer und Umweltforschung,dadurch ge­kennzeichnet, daß die Struktur aus halbleitendem Material (der Gruppe III bis VIII der Elemente des Periodensystems) besteht oder dieses ent­hält oder Glas oder Keramik, Diamant oder Kohlenstoff und auf nicht spa­nendem Wege, insbesondere in chemische Ätztechnik, hergestellt ist.1.Micromechanical structure with cavities, containers, openings, channels, depressions, elevations or the like for investigations of test substances for any changes in physical and / or chemical properties with targeted evaluation and documentation for the purposes of biotechnology, genetic engineering, cell and immune research and other medical, agricultural and environmental research,characterized in that the structure consists of semiconducting material (group III to VIII of the elements of the periodic table) or contains it ent or glass or ceramic, diamond or carbon and in a non-exciting way, especially in chemical etching technology.2. Mikrostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block und der Deckel aus gleichem Material bestehen.2. Microstructure according to claim 1, characterized in that theThe block and the cover are made of the same material.3. Mikrostruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Block oder Deckel aus Silizium oder anderem einkristallinem Ma­terial oder Glas bestehen.3. Microstructure according to claim 1 or 2, characterized in thatthat the block or lid made of silicon or other monocrystalline Mamaterial or glass.4. Mikrostruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Block eine Vielzahl von Vertiefungen be­stimmter Form, Größe, Anordnung bzw. Verteilung über die dem Deckel zu­gekehrte Oberfläche eingebracht sind.4. Microstructure according to one of the preceding claims, characterizedcharacterized in that a plurality of wells be in the blockagreed shape, size, arrangement or distribution over the lidswept surface are introduced.5. Mikrostruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen durch richtungsabhängiges chemisches Ätzen eingebracht sind.5. Microstructure according to claim 4, characterized in that theWells are introduced by directional chemical etching.6. Mikrostruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen durch anisotropes Ätzen eingebracht sind.6. Microstructure according to claim 4, characterized in that theDepressions are introduced by anisotropic etching. 7. Mikrostruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel mit zu den Vertiefungen im Block komplementären Erhebungen verse­hen ist und hermetisch dicht paßt.7. Microstructure according to claim 4, characterized in that theCover with elevations complementary to the recesses in the blockhen and fits hermetically.8. Mikrostruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Kavitäten nebeneinander auf einem Träger, über eine Ober­fläche verteilt angeordnet sind.8. Microstructure according to claim 4, characterized in that aLarge number of cavities side by side on a carrier, over a topare arranged distributed.9. Mikrostruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anordnungsmuster der Kavitäten, Vertiefungen, Öffnungen nach einem Rastermaß aufgebaut ist, so daß es (inX-Y-Rich­tung) von automatischen Füll- bzw. Entleerungsorganen bzw. Probenehmern, Pumpen, Saughebern, o. ä. Mundstücken hiervon insbesondere nach einem vorgegebenen Programm abrastbar ist, wobei insbesondere Mikroventile im selben Rastermaß angeordnet von außen ansteuerbar sind.9. Microstructure according to one of the preceding claims, characterized in that the arrangement pattern of the cavities, depressions, openings is constructed according to a grid dimension, so that it (inXY direction) by automatic filling or emptying elements or samplers, pumps, Suction lifters, or similar mouthpieces thereof can be snapped in particular according to a predetermined program, micro-valves in particular arranged in the same grid dimension being controllable from the outside.10. Mikrostruktur nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß im gleichen Rastermaß Öffnungen (verschließbar) oder Fenster dem Deckel und optische, optronische, elektronische, piezoelektrische, fer­ritische, magnetische, kapazitive, ohmsche oder andere Meß- und Auswer­teeinrichtungen wie CCD- oder RAM oder andere Arrays dem Boden zugeordnet sind und dieses Array oder die Matrix direkt mit einem Mikroprozessor (MP) oder Mikrocomputer (MC) verbunden ist.10. Microstructure according to claim 8 or 9, characterized inthat openings (closable) or windows in the same pitchCover and optical, optronic, electronic, piezoelectric, ferritical, magnetic, capacitive, ohmic or other measurement and evaluationDevices such as CCD or RAM or other arrays assigned to the floorare and this array or the matrix directly with a microprocessor(MP) or microcomputer (MC) is connected.11. Mikrostruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßergebnisse aus den Kavitäten und Zellen automatisch abfragbar und selbstdokumentierend sind (Ergebnisspeicher).11. Microstructure according to claim 10, characterized in thatthe measurement results from the cavities and cells can be queried automatically andare self-documenting (results storage).12. Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge­kennzeichnet, daß wenigstens in eine Kavität ein angeätzter Lichtwel­lenleiter einmündet, der direkt einer optischen Auswertung zugänglich ist.12. Microstructure according to one of claims 8 to 10, characterized geindicates that at least in one cavity an etched light wellenleiter opens, which is directly accessible to an optical evaluationis.13. Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch ge­kennzeichnet, daß den einzelnen Kavitäten/Zellen zur äußeren Beeinflus­sung ein Stift (Lichtgriffel o. ä.) zuortbar ist (inX-Y-Richtung).13. Microstructure according to one of claims 8 to 11, characterized in that the individual cavities / cells for external influencing solution a pin (light pen or the like) can be located (in theXY direction).14. Mikrostruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere auf einem Filmträger angeordnet sind, zum Tansport von Station zu Station zur automatischen Steuerung und Auswer­tung.14. Microstructure according to one of the preceding claims, characterizedcharacterized in that several are arranged on a film carrier forTransport from station to station for automatic control and evaluationtung.15. Mikrostruktur mit Wärmetauscher, Heiz- und/oder Kühlvorrichtung, insbesondere Platte, auf mikromechanischem Wege hergestellt, bevorzugt nach dem Gegenstrom-Prinzip oder mit Heiz- und/oder Kühlmitteln wie Schichtenstruktur/Thermoelemente, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zentralen, sandwichartig eingefaßten Platte oder Scheibe aus gut wärme­leitendem Material, wie Silizium o.ä. Halbleitermaterial, ein im Quer­schnitt mäanderförmiger Strömungsweg für ein Trägermedium gebildet ist, in dem in der zentralen Platte Trennwände stehenbleiben, die mit Erhe­bungen in einer Deckplatte und gegenüberliegenden Vertiefungen in der anderen Deckplatte korrespondieren.15. microstructure with heat exchanger, heating and / or cooling device,in particular plate, produced by micromechanical way, preferredaccording to the countercurrent principle or with heating and / or cooling agents such asLayer structure / thermocouples, characterized in that in acentral, sandwich-like plate or disc made of good heatconductive material, such as silicon or the like Semiconductor material, one in the crossa meandering flow path is formed for a carrier medium,in which partitions remain in the central plate, the ones with Erheexercises in a cover plate and opposite depressions in thecorrespond to another cover plate.