DD296998A5 - Anordnung zur stroemungswiderstandsveraenderung in von fluessigkeiten oder gasen durchstroemten anordnungen - Google Patents

Abstract

Die Anordnung zur Stroemungswiderstandsveraenderung in von Fluessigkeiten oder Gasen durchstroemten Anordnungen kann vorzugsweise als schnellarbeitendes Ventil in mikromechanischen Geraeten insbesondere in der Medizintechnik beim Implantieren von Insulinpumpen in den menschlichen Organismus eingesetzt werden. Das Ziel der Erfindung ist die Herstellung von einfachen Ventilen, die sich zur Minimalmengendosierung eignen und in einem Arbeitsgang mit der Chipherstellung gefertigt werden koennen. Erfindungsgemaesz besteht die Anordnung aus zwei symmetrisch angeordneten, parallel zur Achse teilweise metallisierten Halbkoerpern, aus denen die Ventilklappen nach Technologien der Mikroelektronik herausgeaetzt werden. Die Ventilhalbkoerper bestehen aus Halbleitermaterial und werden nach der Herstellung stoffschluessig miteinander verbunden. Bei der Funktionsweise der Anordnung wird die Kraft des elektrischen Feldes auf ein Halbleitermaterial als elektrisch geladenen Koerper genutzt. Durch Anlegen einer aeuszeren elektrischen Spannung werden die Ventilklappen in den Medienstrom hineingedrueckt bzw. herausgezogen.{Anordnung; Stroemungswiderstandsaenderung; durchstroemte Anordnungen; mikromechanische Geraete; elektrostatische Auslenkung; teilweise metallisierte Halbkoerper; Ventilklappen; Halbleitermaterial; Dielektrikum; aeuszere elektrische Spannung}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Strömungswiderstandsveränderung in von Flüssigkeiten oder Gasen durchströmten Anordnungen.

Die Anordnung ermöglicht die Regulierung kleinster Mengen von aktiven oder gefährlichen Flüssigkeiten oder Gasen für medizinische oder labormäßige Zwecke, in der Mikroelektronik sowie für die Minimalmengenschmierung. Sie kann als schnellarbeitendes Ventil in mikromechanischen Geräten, in denen der Volumenstrom von flüssigen oder gasförmgien Medien gesteuert werden muß, eingesetzt werden. Ein spezielles Anwendungsgebiet besteht in der Medizintechnik beim Implantieren von Insulinpumpen in den menschlichen Organismus sowie der Regelung des Flusses in Infusions- und Transfusionsgeräten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Einrichtungen zur Regulierung des Medienstromes sind in der Technik in einer großen Anzahl bekannt. Die meisten arbeiten auf rein mechanischer bzw. elektromechanischer Basis. In DD 108141 wird ein Schlauchklemmenventil beschrieben, bei dem eine Regulierung durch Verringerung des Schlauchquerschnittes mittels Klemmen erfolgt. Die mechanische Belastung des Schlauches ist groß, es können dauerhafte Verformungen des Schlauches auftreten, und eine genaue Dosierung ist nicht möglich.

DD 148375 beschreibt ein Schlauchventil, das mit einer Hülse mit kreisförmigem Ausschnitt, der mit einer elastischen Membran verschlossen ist, besteht. Zu dem kreisförmigen Ausschnitt führen Überströmkanäle.

Durch Druck auf die elastische Membran werden die Überströmkanäle entsprechend geöffnet oder verschlossen. In DE 3445740 wird ein Freiflußventil, das auf rein mechanischer Basis arbeitet, beschrieben. Ein elastischer Schlauch wird zwischen zwei gegenläufig gekoppelte Bolzen geführt. Die Regulierung des Medienstromes erfolgt, indem die Bolzen aufeinander zu bewegt werden und somit den Schlauch abquetschen.

Der Gebrauch von Klemmen und anderen mechanischen Elementen zur Regulierung der Fließgeschwindigkeit sind für eine genaue Minimalmengendosierung ungeeignet, da sich die Fließgeschwindigkeit im Laufe der Zeit selbständig verändert, was in der Medizintechnikzu Havarien führen kann. Außerdem tritt bei längerem Gebrauch eine dauerhafte plastische Verformung des Schlauchquerschnittes ein.

Andere bekannte Anordnungen zur Minimalmengendosierung sind dadurch gekennzeichnet, daß es sich entweder um Einwegventile, um Magnetventile (DE-OS 2921832) oder Ventile, die durch Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts (EP 0109235) arbeiten, handelt. Diese haben den Nachteil, daß sie aus mehreren Einzelteilen bestehen und nicht in einem Arbeitsgang mit der Chipherstellung gefertigt werden können. Sie sind deshalb in der Herstellung sehr kostenaufwendig.

In WO 0025280 wird eine Lösung beschrieben, die nach dem Prinzip der elektrostatischen Kraft auf Kondensatorplatten arbeitet.

Sie ist aber ebenfalls nicht in der Lage, die oben genannten Nachteile zu beseitigen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Strömungswiderstandsveränderung in von Flüssigkeiten oder Gasen durchströmten Anordnung zu schaffen, die aus wenigen Einzelteilen besteht, billig in der Herstellung ist und in großen Stückzahlen produziert werden kann. Weiterhin soll sie eine große Dosiergenauigkeit aufweisen und mit hoher Zuverlässigkeit arbeiten.

-2- 296 998 Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Strömungswiderstandsveränderung in von Flüssigkeiten oder Gasen durchströmten Anordnungen zu schaffen, die extrem klein ist, eine Minimalmengendosierung ermöglicht, keine mechanische Ermüdung aufweist und mit Technologien der Chipfertigung hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung gelöst, die aus zwei symmetrisch angeordneten, parallel zur Achse teilweise metallisierten Halbkörpem besteht, aus denen die Ventilklappen nach Technologien der Mikroelektronik herausgeätzt werden.

Als Grundmaterial für diese Halbkörper wird ein Halbleitermaterial-vorzugsweise Silizium-verwendet.

Dieses wird beidseitig mit einer Isolationsschicht, zum Beispiel Siliziumdioxid, versehen, auf welche eine Metallschicht aufgedampft wird.

Nach dem Ätzvorgang werden die nun entstandenen Ventilhalbkörper symmetriegleich zusammengesetzt und mittels geeigneter Technik stoffschlüssig verbunden. Dies geschieht vorzugsweise durch Kleben oder elektrostatisches Bonden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die Kraft des elektrischen Feldes auf metallisch bedampftes Silizium als Kondensatorplatte ausgenutzt, wobei das Prinzip der elektrostatischen Auslenkung angewandt wird.

Durch das Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung an die Ventilklappen und die Ventilhalbkörper werden die Ventilklappen entweder vom Ventilhalbkörper angezogen oder abgestoßen.

Durchströmt beispielsweise das Medium die erfindungsgemäße Anordnung von A nach B, dann werden die Ventilklappen durch den Volumenstrom selbsttätig auseinandergedrückt.

Zum Schließen der erfindungsgemäßen Anordnung wird an die Ventilklappen und an die Ventilhalbkörper eine äußere elektrische Spannung unterschiedlicher Polarität angeleglt, wobei die metallisierten Abschnitte auf den Ventilklappen und den dazugehörigen Ventilhalbkörpern jeweils das gleiche Potential aufweisen.

Als Anschlußstellen für die Spannungszuführung dienen die Leiterbahnen zu den metallisierten Abschnitten an den Ventilhalbkörpern.

Zum Öffnen der erfindungsgemäßen Anordnung wird an die Ventilklappen eine äußere elektrische Spannung gleicher Größe aber unterschiedlicher Polarität angelegt. Durchströmt das Medium die Anordnung in Gegenrichtung, also von B nach A, so versucht es die Ventilklappen zusammenzudrücken. Um dies zu verhindern, wird an die Ventilklappen eine äußere elektrische Spannung gleicher Größe aber unterschiedlicher Polarität angelegt, so daß sich die Ventilklappen voneinander abstoßen. Das Schließen der Anordnung erfolgt in gleicherweise wie bereits oben angeführt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht im Gegensatz zu den herkömmlichen Klappenventil darin, daß sie schnell schließen kann und in beiden Richtungen betreibbar ist. Aufgrund ihres einfachen Aufbaus, sie besteht nur aus zwei Einzelteilen, läßt sie sich in Massenproduktionen und damit äußerst billig herstellen.

Bedingt durch die geringen Abmessungen ist die erfindungsgemäße Anordnung vorwiegend für die Minimalmengendosieru ng einsetzbar. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß sich die Anordnung leicht und nur mit geringen elektrischen Spannungen steuern läßt. Es ist besonders günstig, sie zusammen mit einer mikromechanischen Pumpe herzustellen und diese zusammen auf einem Chip unterzubringen.

Bedingt durch die Verwendung von einkristallinem Halbleitermaterial als Ventilhalbkörper arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung ermüdungsfrei, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit erreicht wird. Ein weiterer Vorteil, ebenfalls durch das verwendete Material bedingt, ist die große Beständigkeit gegen aggressive Medien.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1: einen Halbschnitt der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 2: eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig.3: ein Anwendungsbeispiel für Pumpe und erfindungsgemäße Anordnung auf einem Chip.

Ein mögliches Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Medizintechnik, beispielsweise beim Implantieren von Insulinpumpen in den menschlichen Organismus.

Besonders vorteilhaft ist es, sie gemeinsam mit einer mikromechanischen Pumpe auf einem Chip unterzubringen. Als Pumpe wird vorzugsweise eine Membranpumpe verwendet.

Für den Fall, daß die Dosierleistung einer einzelnen Anordnung für den Mediendurchfluß nicht ausreichend ist, besteht die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Lösung in einer Gruppenanordnung anzuwenden. Damit ist es leicht möglich, die Dosierleistung zu erhöhen.

Ein möglicher Anwendungsfall ist in Fg. 3 dargestellt. Das Ventil-Pumpen-System läßt sich leicht aus zwei gleichen Wafern herstellen. Die Herstellung der beiden Ventilhalbkörper 1 und 2, zweier parallel zur Achse teilweise metallisch bedampfter Halbkörper, die aus Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, bestehen, erfolgt nach Technologien der Mikroelektronik. Wenn die Pumpenmembran 13 ansaugt, strömt das Medium durch den Einlaßkanal 9 in die Pumpe. Es öffnen sich die Einlaßventile 11, während die Auslaßventile 12 geschlossen sind. Stößt die Pumpe 14 das angesaugte Medium wieder aus, so werden die Auslaßventile 12 geöffnet und das Medium kann durch den Auslaßkanal 10 strömen. Die Einlaßventile 11 sind in dieser Zeit mit einer Spannung beaufschlagt, so daß sie geschlossen sind. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt durch eine spezielle Ansteuerelektronik, die vom Verhalten der Pumpe 14 abhängig ist. Die Anschlußelektroden der Einlaßventile 11, der Auslaßventile 12 und der Pumpe 14 sind auf die Waferrückseite zu führen. Die beiden Wafer sind stoffschlüssig, vorzugsweise durch elektrostatisches Bonden oder durch einen das Medium nichtlösenden Kleber miteinander verbunden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn an den Wafern spezielle Fügehilfen wie Sicken oder Senken angebracht werden.

Claims (5)

1. Anordnung zur Strömungswiderstandsänderung in von Flüssigkeiten oder Gasen durchströmten Anordnungen, die nach dem Prinzip der elektrostatischen Auslenkung arbeitet und nach Technologien der Mikroelektronik hergestellt werden kann, gekennzeichnet dadurch, daß die erfindungsgemäße Anordnung aus zwei symmetrisch angeordneten, parallel zur Achse teilweise metallisierten Halbkörpern besteht, aus denen die Ventilklappen (3,4) herausgeätzt werden und daß die so entstandenen metallisierten Ventilhalbkörper (1, 2) nach der Herstellung stoffschlüssig miteinander verbunden werden.

2. Anordnung nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß die metallisierten Ventilhalbkörper (1, 2) aus einem Halbleitermaterial bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Ventilklappen (3,4) durch Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung bewegt werden.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die metallisierten Ventilhalbkörper (1,2) als integrierter Bestandteil bei der Chipherstellung gefertigt werden.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die stoffschlüssige Verbindung der metallisierten Ventilhalbkörper (1, 2) durch Kleben oder elektrostatisches Bonden erfolgt.