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20.02.2014 09:11 Alter: 6 yrs
Kategorie: News, News 2014

Innovationspreis für WICKERT

Produktionskostensenkung für Lab On a Chip um mehr als 90%


Produktionskostensenkung für Lab On a Chip um mehr als 90% Das Ministerium für Wirtschaft, Klimaschutz, Energie und Landesplanung Rheinland- Pfalz vergibt jährlich in Kooperation mit den Arbeitsgemeinschaften der Industrie- und Handelskammern und Handwerkskammern des Landes einen Innovationspreis, an besonders innovative Akteure aus Rheinland-Pfalz als Anerkennung ihrer Leistungen und ihres Einsatzes für Innovationen in der Wirtschaft des Landes. Preisträger der Kategorie Handwerk 2013 (und bereites mehrfach in den Jahren zuvor) war die WICKERT Maschinenbau GmbH.

 

Die Miniaturisierung hat mit Labs on a Chip längst Einzug in der Analytik in Chemie und Biotechnologie gefunden. Der Begriff „Lab On a Chip“ (LOC) bezeichnet ein mikrofluidisches System, welches die Funktion eines makroskopischen Labors auf einem nur wenige mm2 bis wenige cm2 großen Chip unterbringt.

 

Mit dieser Technologie lassen sich geringste Mengen einer Flüssigkeit bis hinunter zu 1 pico Liter (= 0.000000000001 Liter) auf einem einzigen Chip vollständig und automatisch analysieren. Der Transport der Proben zwischen den verschiedenen Reaktions- und Analysekammern findet mithilfe von Kapillarkräften statt.

 

Statt Fotolithographie Mikroprägen und High-End Thermodiffusionsbonden Die Grundlage für die Herstellung von LOCs war bisher die Fotolithographie. Nachteile dieses Verfahrens sind insbesondere dessen Grenzen in der Analysegenauigkeit, die durch die Grenzen in der mechanischen Präzision bedingt sind. Hinzu kommen relativ hohe Fertigungskosten, die zu hohen Kosten je LOC führen. Belichten, ätzen – ähnlich wie elektronische Mikrochip ist vergleichsweise teuer.

 

Ein Ansatzpunkt zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der LOC-Produktion war das Ersetzen der Siliziumgrundplatte des Chips durch Hochleistungskunststoffe. Die Kunststoffgrundplatte musste dazu in einem ersten Schritt mikrogeprägt werden, um die erforderlichen Mikrokanalsysteme einzubringen. Die entscheidende Leistung bestand jedoch in der Entwicklung eines Verfahrens, um die mit Reaktionsflüssigkeiten gefüllte Grundplatte mit höchster Präzision mit der Deckplatte zu verschließen. Dieser Schritt wurde mit dem Thermodiffusionsbonden verwirklicht.

 

Die Aufgabenstellung für WICKERT war, eine Anlage zu entwickeln, die zunächst mittels Heißprägen die erforderlichen Strukturen einbringt und anschließend die mit entsprechenden Chemikalien gefüllte Grundplatte deckelt.

 

Heißprägeanlagen sind am Markt verfügbar. Damit war die Hauptherausforderung für WICKERT eine Anlage für das Thermodiffusionsbonden zu bauen: Eine Mikroprägeanlage ist im Wesentlichen eine geeignete Anlage für das Thermodiffusionsbonden. Thermodiffusionsbonden - viel besser als „State of the Art“ Das Thermodiffusionsbonden für den angefragten Prozess hatte jedoch noch Anforderungen, die über den damaligen Stand der Technik hinausgingen, nämlich

  • Keilfehlerausgleich im Bereich der Pressplatten < 5 μm über die gesamte Fläche von ø 200 mm.
  • Vakuumkammergeeignet für Vakuum bis 1 mbar und gleichzeitig Schutzgasatmosphäre innerhalb der Kammer mit bis zu 2,5 bar Überdruck (normale Vakuumkammern erlauben nur Vakuum, aber keinen Überdruck).
  • Heiz- und Kühlraten von 40 Kelvin/min innerhalb einer Vakuumkammer. (Stand der Technik war ca. 20 Kelvin/min.).

Die geforderten Neu- und Weiterentwicklungen über den Stand der Technik hinaus wurden erfolgreich umgesetzt.

 

a) Temperierung mit Heiz- und Kühlraten bis 40 Kelvin/min. Wesentliche Entwicklungsschritte hierzu waren spezielle Heiz-/Kühlplatten mit einer Graphiteinlage für sehr schnellen Wärmefluss bei gleichzeitiger Druckstabilität bis 30.000 N und der geforderten mechanischen Präzision (Planparallelität 1 μm). Kompensation der Wärmeausdehnung in Heiz-/Kühlplatte und auch im Rohrleitungssystem innerhalb der Vakuumkammer.

 

b) Neuartiger Keilfehlerausgleich.

 

c) Vakuumkammersystem mit neuartigem Dichtsystem, geeignet für Vakuum 1 mbar und Überdruck 2,5 bar. Größte Herausforderung hier war, dass das Dichtsystem möglichst kraftfrei an der Gegenfläche gleiten muss, damit die anlegende Fügekraft durch die Dichtung nicht beeinflusst oder verfälscht wird. Dank der von WICKERT entwickelten Anlage konnten die Fertigungskosten für den gedeckelten Lab On a Chip im Vergleich zum bisherigen Herstellungsverfahren gesenkt werden. Wenn das kein Spareffekt ist! Typische Vorteile LOCs sind:

 

  • Geringster Verbrauch von Flüssigkeitsmengen und damit verbunden geringere Kosten und weniger Reagenzien für Probenvolumen erforderlich, weniger Abfall.
  • Schnellere Analyse-und Reaktionszeiten, geringe Wärmekapazität und damit bessere Prozesskontrolle.
  • Kompakt durch viel Funktionalität auf kleinstem Platz und Volumen.
  • Sicherere Plattform für Untersuchungen Dank kleiner Fluidvolumina und geringer gespeicherten Energien.