DD296998A5

DD296998A5 - ARRANGEMENT FOR RADIATION RESISTANCE CHANGES IN FLUIDS OR GASES PUNCHED ARRANGEMENTS

Info

Publication number: DD296998A5
Application number: DD31756288A
Authority: DD
Inventors: Michael Bauer; Wolfgang Dietrich
Original assignee: Tu Karl-Marx-Stadt,Sektion Informationstechnik Wb Geraetetechnik,De
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1988-07-05
Publication date: 1991-12-19

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}The arrangement for Stroemungswiderstandsveraenderung in flow-through of liquids or gases arrangements can preferably be used as a high-speed valve in micromechanical devices, especially in medical technology in the implantation of insulin pumps in the human body. The aim of the invention is the production of simple valves that are suitable for minimum quantity metering and can be manufactured in one operation with the chip production. According to the invention, the arrangement consists of two symmetrically arranged half-bodies, partially metallised parallel to the axis, from which the valve flaps are ejected according to microelectronic technologies. The valve half-bodies are made of semiconductor material and are connected to one another in a material-tight manner after production. In the operation of the arrangement, the force of the electric field is used on a semiconductor material as an electrically charged body. By applying an external electrical voltage, the valve flaps are pressed into or pulled out into the medium flow. {Arrangement; Stroemungswiderstandsaenderung; pierced arrangements; micromechanical devices; electrostatic deflection; partially metallized half-bodies; Valve flaps; Semiconductor material; Dielectric; external electrical voltage}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Strömungswiderstandsveränderung in von Flüssigkeiten oder Gasen durchströmten Anordnungen.The invention relates to an arrangement for flow resistance change in flowed through by liquids or gases arrangements.

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.The arrangement allows the regulation of smallest quantities of active or hazardous liquids or gases for medical or laboratory purposes, microelectronics and minimum quantity lubrication. It can be used as a high-speed valve in micromechanical devices in which the volume flow of liquid or gaseous media must be controlled. A particular field of application is in medical technology in the implantation of insulin pumps in the human organism and the regulation of flow in infusion and transfusion equipment.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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.Devices for regulating the flow of media are known in the art in a large number. Most work on a purely mechanical or electromechanical basis. In DD 108141 a hose clamp valve is described in which a regulation by reducing the tube cross-section is done by means of terminals. The mechanical load on the hose is large, permanent hose deformation can occur and accurate metering is not possible.

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.DD 148375 describes a tube valve, which consists of a sleeve with a circular cutout, which is closed with an elastic membrane. Overflow channels lead to the circular cutout.

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.By pressure on the elastic membrane, the transfer channels are opened or closed accordingly. DE 3445740 describes a free-flow valve which operates on a purely mechanical basis. An elastic hose is passed between two oppositely coupled bolts. The regulation of the media flow is carried out by the bolts are moved towards each other and thus squeeze the hose.

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.The use of clamps and other mechanical elements to regulate the flow rate are unsuitable for accurate minimum dosage because the flow rate changes over time, which can lead to accidents in medical technology. In addition, occurs during prolonged use, a permanent plastic deformation of the tube cross-section.

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.Other known arrangements for minimal quantity metering are characterized in that they are either one-way valves, solenoid valves (DE-OS 2921832) or valves which operate by utilizing the piezoelectric effect (EP 0109235). These have the disadvantage that they consist of several parts and can not be manufactured in one operation with the chip production. They are therefore very expensive to manufacture.

In WO 0025280 wird eine Lösung beschrieben, die nach dem Prinzip der elektrostatischen Kraft auf Kondensatorplatten arbeitet.WO 0025280 describes a solution which operates on capacitor plates according to the principle of electrostatic force.

Sie ist aber ebenfalls nicht in der Lage, die oben genannten Nachteile zu beseitigen.However, it is also not able to eliminate the above-mentioned disadvantages.

Object of the invention

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.The object of the invention is to provide an arrangement for flow resistance change in liquid or gas flowed through arrangement, which consists of a few individual parts, is inexpensive to manufacture and can be produced in large quantities. Furthermore, they should have a high dosing accuracy and work with high reliability.

-2- 296 998 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 296 998 Presentation of the Essence of the Invention

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.The object of the invention is to provide an arrangement for changing the flow resistance in arrangements flowed through by liquids or gases, which is extremely small, permits a minimum amount of dosage, has no mechanical fatigue and can be manufactured using technologies of chip production.

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.According to the invention the object is achieved with an arrangement consisting of two symmetrically arranged, parallel to the axis partially metallized Halbkörpem from which the valve flaps are etched out by microelectronics technologies.

Als Grundmaterial für diese Halbkörper wird ein Halbleitermaterial-vorzugsweise Silizium-verwendet.As the base material for these half-bodies, a semiconductor material-preferably silicon-is used.

Dieses wird beidseitig mit einer Isolationsschicht, zum Beispiel Siliziumdioxid, versehen, auf welche eine Metallschicht aufgedampft wird.This is provided on both sides with an insulating layer, for example silicon dioxide, on which a metal layer is vapor-deposited.

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.After the etching process, the now resulting valve half bodies are assembled symmetrically and connected in a material-locking manner by means of suitable technology. This is preferably done by gluing or electrostatic bonding. In the solution according to the invention, the force of the electric field on metallized silicon is used as the capacitor plate, the principle of electrostatic deflection being used.

Durch das Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung an die Ventilklappen und die Ventilhalbkörper werden die Ventilklappen entweder vom Ventilhalbkörper angezogen oder abgestoßen.By applying an external electrical voltage to the valve flaps and the valve half bodies, the valve flaps are either attracted or repelled by the valve half body.

Durchströmt beispielsweise das Medium die erfindungsgemäße Anordnung von A nach B, dann werden die Ventilklappen durch den Volumenstrom selbsttätig auseinandergedrückt.For example, if the medium flows through the arrangement according to the invention from A to B, then the valve flaps are automatically pushed apart by the volume flow.

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.To close the arrangement according to the invention, an external electrical voltage of different polarity is applied to the valve flaps and to the valve half bodies, the metallized sections on the valve flaps and the associated valve half bodies each having the same potential.

Als Anschlußstellen für die Spannungszuführung dienen die Leiterbahnen zu den metallisierten Abschnitten an den Ventilhalbkörpern.As connection points for the voltage supply serve the tracks to the metallized portions of the valve half bodies.

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.To open the arrangement according to the invention an external electrical voltage of the same size but different polarity is applied to the valve flaps. If the medium flows through the arrangement in the opposite direction, ie from B to A, it tries to compress the valve flaps. To prevent this, an external electric voltage of the same size but different polarity is applied to the valve flaps so that the valve flaps repel each other. The closing of the arrangement takes place in the same way as already mentioned above.

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.The advantage of the arrangement according to the invention consists in contrast to the conventional flap valve in that it can close quickly and is operable in both directions. Due to its simple structure, it consists of only two parts, it can be mass produced and thus extremely cheap.

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.Due to the small dimensions of the arrangement according to the invention is mainly used for the Mindestmengendosieru ng. Furthermore, it is advantageous that the arrangement can be controlled easily and only with low electrical voltages. It is particularly advantageous to produce them together with a micromechanical pump and to accommodate them together on a chip.

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.Due to the use of monocrystalline semiconductor material as a valve half body, the inventive arrangement operates fatigue-free, whereby a high reliability is achieved. Another advantage, also due to the material used, is the great resistance to aggressive media.

Ausführungsbeispielembodiment

Die erfindungsgemäße Anordnung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigenThe arrangement according to the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. Show

Fig. 1: einen Halbschnitt der erfindungsgemäßen AnordnungFig. 1: a half section of the arrangement according to the invention

Fig. 2: eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung2 shows a side view of the arrangement according to the invention

Fig.3: ein Anwendungsbeispiel für Pumpe und erfindungsgemäße Anordnung auf einem Chip.3 shows an application example for pump and arrangement according to the invention on a chip.

Ein mögliches Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Medizintechnik, beispielsweise beim Implantieren von Insulinpumpen in den menschlichen Organismus.One possible field of application of the solution according to the invention consists in medical technology, for example when implanting insulin pumps in the human organism.

Besonders vorteilhaft ist es, sie gemeinsam mit einer mikromechanischen Pumpe auf einem Chip unterzubringen. Als Pumpe wird vorzugsweise eine Membranpumpe verwendet.It is particularly advantageous to accommodate them together with a micromechanical pump on a chip. As a pump, a diaphragm pump is preferably used.

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.In the event that the dosing of a single arrangement for the media flow is not sufficient, it is possible to apply the solution according to the invention in a group arrangement. This makes it easy to increase the dosing.

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.A possible application is shown in Fig. 3. The valve-pump system can be easily made from two identical wafers. The production of the two valve half body 1 and 2, two parallel to the axis partially metallized metallized half body, which consist of semiconductor material, preferably silicon, is carried out according to microelectronic technologies. When the pump diaphragm 13 sucks, the medium flows through the inlet channel 9 into the pump. The intake valves 11 open while the exhaust valves 12 are closed. If the pump 14 discharges the sucked-in medium again, the outlet valves 12 are opened and the medium can flow through the outlet channel 10. The intake valves 11 are subjected to a voltage during this time, so that they are closed. The control of the valves is carried out by a special control electronics, which is dependent on the behavior of the pump 14. The terminal electrodes of the intake valves 11, the exhaust valves 12 and the pump 14 are to be led to the wafer back. The two wafers are materially bonded together, preferably by electrostatic bonding or by an adhesive that does not dissolve the medium. It is advantageous if special wipers such as beads or depressions are attached to the wafers.

Claims

1. Arrangement for flow resistance change in flows through liquids or gases arrangements, which operates on the principle of electrostatic deflection and can be prepared according to microelectronics technologies, characterized in that the arrangement according to the invention consists of two symmetrically arranged, parallel to the axis partially metallized half bodies, from which the valve flaps (3,4) are etched out and that the resulting metallized valve half body (1, 2) are connected to one another in a material-locking manner after production.

2. Arrangement according to claim!, Characterized in that the metallized valve half body (1, 2) consist of a semiconductor material.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the valve flaps (3,4) are moved by applying an external electrical voltage.

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the metallized valve half body (1,2) are made as an integral part in the chip production.

5. Arrangement according to claim 1 to 4, characterized in that the cohesive connection of the metallized valve half body (1, 2) takes place by gluing or electrostatic bonding.