DE102004053006A1

DE102004053006A1 - Treibmittelpumpe in Mikrosystemtechnik

Info

Publication number: DE102004053006A1
Application number: DE102004053006A
Authority: DE
Inventors: Jörg Prof. Dr.-Ing. Müller; Marco Doms
Original assignee: TU HAMBURG HARBURG; TU HAMBURG-HARBURG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-04
Also published as: DE502005009877D1; EP1805420A1; WO2006045634A1; EP1805420B1; ATE473374T1; US20080075613A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Treibmittel-Vakuumpumpe, die eine vorzugsweise durch Mikrosystemtechnologien strukturierte planare Düsen- und Pumpenwandgeometrie und ein geeignetes Treibmittel zur Vakuumerzeugung benutzt. Sie zeichnet sich aus durch einfache Herstellbarkeit, geringe Größe und damit gute Integrationsmöglichkeit z. B. in mobile Systeme, Betrieb in einem Druckbereich von etwa einer Atmosphäre bis zu wenigen Pascal, hoher Saugleistung und lageunabhängiger Funktion.

Description

Stand der Technik
Pumpen für den Transport von Gasen bzw. die Erzeugung eines Vakuums existieren im makroskopischen Maßstab in einer Vielzahl von Ausführungsvarianten: Verdrängerpumpen, Molekularpumpen, Sorptionspumpen, Kondensatoren, Kryopumpen und Treibmittelpumpen. Jede dieser Varianten ist für die Anwendung innerhalb eines bestimmten Druckbereiches geeignet; zur Erzeugung eines vorgegebenen Druckes kann es nötig sein, mehrere dieser Pumpen hintereinander zu betreiben. Die Größe dieser herkömmlichen Vakuumpumpen liegt in ihren kleinsten Bauformen noch immer im Bereich einiger zehn Kubikzentimeter. Daher können diese Pumpen nicht sinnvoll in Systeme mit Mikro-Baugruppen (z.B. Sensoren) integriert werden. Der Einsatz von z.B. miniaturisierten Analysegeräten, die für ihre Funktion einen Unterdruck oder einen konstanten Gasstrom benötigen, ist daher eng an die Entwicklung von geeigneten Mikro-Gaspumpen gekoppelt.
Mikro Pumpen wenden unterschiedliche physikalische oder chemische Prinzipien an, um eine Pumpwirkung zu erzeugen [1][2]. Viele der so realisierten Systeme sind in der Anwendung auf flüssige Medien limitiert; nur einige eignen sich für das Pumpen von Gasen bzw. die Vakuumerzeugung.
Ein Skalieren der herkömmlichen Pumpprinzipien mit rotierenden Teilen zum Verdrängen des Gases ist auf Grund der sehr kleinen Abmessungen und der erforderlichen Rotationsgeschwindigkeiten zur Erzeugung nahezu unmöglich. Die meisten realisierten Mikro-Vakuumumpen basieren aber auf mechanisch bewegten Teilen, die die Langzeitstabilität solcher Systeme erheblich beeinträchtigen, etwa Membranen, die durch ihre Bewegung, erzeugt über unterschiedliche Aktuatoren, die Pumpwirkung hervorrufen oder z.T. benötigten aktiven oder passiven Ventilen [3][4][5]. Anwendung können alternativ Pumpen ohne mechanische Teile fnden, die auf dem Prinzip des Knudsen Kompressors basieren (thermal transpiration, thermal molecular pressure): Zwischen zwei Volumina unterschiedlicher Temperatur, die über einen Kanal mit geringer Querschnittsfläche verbunden sind, entsteht eine Druckdifferenz, die zur Erzeugung einer Pumpwirkung ausgenutzt werden kann. Nachteilig wirkt sich der relativ komplizierte Aufbau und der hohe Flächenbedarf solcher Systeme aus, bedingt durch den Zwang auf Grund des geringen erreichten Kompressionsverhältnisses, viele solcher Pumpen in Reihe zu betreiben, um die gewünschte Saugleistung und Druckdifferenz zu erzeugen [6][7][8]. Die Anwendung des der Erfindung zu Grunde liegenden Pumpprinzips in Mikropumpen ist nicht bekannt.
Beschreibung und Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Mikro Pumpe nutzt das in DIN 28 400, Teil 2 beschriebene Funktionsprinzip der Treibmittelpumpen, das darauf begründet ist, dass ein schnell strömendes dampfförmiges oder flüssiges Treibmittel durch eine Düse hindurch expandiert. Die Gasteilchen im zu evakuierenden Rezipienten gelangen in diesen Treibmittelstrahl; hier erhalten sie durch Stöße mit den Treibmittelmolekülen einen Impuls in Pumprichtung. Eine Sonderstellung unter den Treibmittelpumpen nimmt die Diffusionspumpe ein, bei der im Gegensatz zu den anderen Strahlpumpen der Mischvorgang des Treibmittels mit dem abzupumpenden Gas nicht in einer turbulenten Grenzschicht stattfindet, sondern durch Diffusion des Gases in den Treibstrahl.
In 1 ist beispielhaft für alle Triebmittelpumpen das Pumpprinzip an Hand des Aufbaus einer Diffusionspumpe dargestellt: Im Siederaum (2) wird durch die Heizung (1) ein geeignetes Treibmittel (z.B. Silikonöl) erhitzt; der entstehende Treibmitteldampf (4) tritt mit Überschallgeschwindigkeit aus den Düsen (5) aus und überträgt einen abwärts gerichteten Impuls auf die Moleküle des abzupumpenden Gases (8). Der Treibmitteldampfstrahl (7) kondensiert an den gekühlten Wänden des Pumpenkörpers (6) und wird wieder dem Vorratsbehälter (2) zugeführt. Die Gasmoleküle behalten ihren Impuls bei und gelangen in den Dampfstrahl der nächsttiefer gelegenen Düsenstufe. Unterhalb der letzten Düse wird das Gas über den Vorvakuumstutzen (3) mittels einer Vorpumpe abgeführt. Das abgepumpte Gas wird von Stufe zu Stufe weiter komprimiert, so dass bei konstantem Massenstrom sein Volumenstrom entsprechend abnimmt; die Pumpfläche zwischen Düse und Wand verkleinert sich dementsprechend ebenfalls von oben nach unten. Der höchste zulässige Druck auf der Vorvakuumseite wird hierdurch vergrößert [9].
Die Neuartigkeit der Erfindung liegt in der Umsetzung des Prinzips in miniaturisierter, vorzugsweise in einer der Mikrosystemtechnik adäquaten planaren Form. Daraus resultieren unter Ausnutzung der Miniaturisierung eine Reihe weiterer Vorteile.
Eine planare Düsenanordnung aus z.B. ein oder zwei Lavaldüsen pro Düsenstufe wird verwendet, um ein unter Druck stehendes flüssiges, gas- oder dampfförmiges Treibmittel zu expandieren und wahlweise bis auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigen. Der erhöhte Druck des Treibmittels innerhalb der Düsenanordnung kann hierbei entweder durch geeignete Maßnahmen außerhalb der Mikro Pumpe oder bei dampfförmigen Treibmittel mit einem in die Pumpe integrierten Heizer und Verdampfen einer Flüssigkeit erreicht werden. Das Skalieren der Abmessungen der Pumpe bis in den Bereich der freien Weglänge der Gasmoleküle im jeweiligen Druckbereich, ermöglicht den Betrieb in einem Druckbereich von etwa einer Atmosphäre bis zu einigen Pascal. Um eine möglichst große Druckdifferenz mit nur einer Mikro Treibmittelpumpe zu erreichen, können mehrere Düsenstufen hintereinander betrieben werden, so dass das abgepumpte Gas in jeder Stufe weiter komprimiert wird. Eine Variation des verwendeten Treibmittels und der Verdampfertemperatur ermöglicht ebenfalls den Betrieb in unterschiedlichen Druckbereichen.
Um das Verschmutzen der Düsen mit kleinsten Partikeln zu verhindern kann z.B. in der Verdampferkammer ein Partikelfilter integriert werden. Ein ebensolcher Filter kann auch am Ein- und Ausgang der Verdampferkammer verwendet werden. Das aus den Düsen ausgetretene Treibmittel, das den eigentlichen Pumpeffekt hervorruft, kann im Falle der Verwendung von Gasen oder Flüssigkeiten auf geeignetem Wege aus der Pumpe heraustransportiert und für den Fall der Verwendung von dampfförmigen Treibmitteln an den Pumpenwänden kondensiert und ggf. zu dem in die Pumpe integrierten Heizer zurückgeführt werden. Dort wird es erneut verdampft und somit in einen Treibmittelkreislauf überführt, um ein geschlossenes und von außen ausschließlich mit Energie für den Heizer versorgtes System zu ermöglichen. Das Kondensieren des dampfförmigen Treibmittels kann z.B. über in den Wänden vorgesehene Kanäle erfolgen, die mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt sind und die Wärme von den zur Kondensation verwendeten Seitenwänden abführen; alternativ können hierfür auch Peltier-Elemente eingesetzt werden. Eine Rückführung des kondensierten Treibmittels von der Pumpkammer in die Verdampferkammer kann z.B. durch einen oder mehrere kapillarförmige Kanäle ausgeführt werden, die mit einer Schicht gegenüber der Pumpkammer höherer Oberflächenenergie ausgekleidet ist. Durch diese Maßnahmen kann erreicht werden, dass die Mikro-Pumpe lageunabhängig betrieben wird.
Um den Betrieb der Mikro Treibmittelpumpe zu überwachen und ggf. zu steuern oder zu regeln, können mehrere Drucksensoren in die Pumpe integriert werden. Diese Drucksensoren können in der Pumpenkammer auf der Hochvakuumseite und der Vorvakuumseite, sowie in der Verdampferkammer angebracht werden und über geeignete schaltungstechnische Maßnahmen auch den Differenzdruck zwischen den genannten Messpunkten detektieren. Auf Grund der guten Realisierbarkeit und der Anwendbarkeit in unterschiedlichen Druckbereichen bietet sich als Drucksensor z.B. ein auf dem Pirani-Prinzip basiertes System an, das die druckabhängige Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums misst [9][10][11][12]. Ebenfalls zur Überwachung der Pumpe kann am Ansaugstutzen und am Auslass ggf. eine Flussmessung basierend z.B. auf einem in Mikrosystemtechnik realisierten Heizdrahtprinzip erfolgen.
Der Aufbau der Erfindung besteht z.B. aus drei Substraten, von denen das mittlere die Düsenstrukturen beinhaltet und sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet, um das Verdampfen eines flüssigen Treibmittels und die Kondensation zu erleichtern. Die beiden äußeren Substrate können benötigte Anschlusskanäle beinhalten und ggf. als Träger für die zu integrierenden Druck- oder Flusssensoren dienen und verschließen die Verdampferkammer und den Pumpenraum. Als Substrate können Silizium, vorzugsweise anisotrop strukturiert, und Borsilikatglas wegen ihrer guten chemischen und mechanischen Stabilität ebenso dienen wie galvanisch abgeschiedene Metallstrukturen und Glassubstrate oder durch Spritzgussverfahren erzeugte Strukturen und Polymersubstrate.
Durch die geringe Größe der Mikro Treibmittelpumpe entstehen folgende Vorteile: Die Erfindung kann als Pumpe für bestehende oder zukünftig entwickelte miniaturisierte Systeme eingesetzt werden, ohne deren Bauform unnötig zu vergrößern. Des Weiteren kann die Mikro Treibmittelpumpe durch ihre geringen internen Abmessungen ab einem Druck von etwa einer Atmosphäre eingesetzt werden und je nach Ausführung mit mehreren Düsenstufen und einem geeigneten Treibmittel einen Endruck von bis zu wenigen Pascal erreichen. Das System zeichnet sich durch einfache Herstellung aus: Im einfachsten Fall besteht die Mikro Treibmittelpumpe aus einem mit Plasmaätzverfahren strukturierten Siliziumsubstrat und zwei darauf anodisch gebondeten Borsilikatglassubstraten als Abdeckung oben und unten, von denen eines einen Zugang von außen in die Verdampferkammer für die externe Versorgung mit einem Treibmittel bietet. Ein solches System ist in 2 dargestellt: Durch eine Öffnung (4) wird ein dampfförmiges Treibmittel zugeführt, das durch die Düsen (5) expandiert und einen Impuls auf die Gasmoleküle auf der Hochvakuumseite (6), bzw. in einem über einen Kanal (7) angeschlossenem Volumen, überträgt. Das Treibmittel kondensiert an den wassergekühlten Seitenwänden der Pumpe (3) und die abgepumpten Gasmoleküle gelangen über die Vorvakuumseite (2) und den Auslass (1) aus der Mikropumpe.
Literaturverzeichnis

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[5] C. G. J. Schabmueller, M. Koch, A. G. R. Evans, A. Brunnschweiler, M. Kraft Design and fabrication of a self-aligning gas/liquid micropump Proc. SPIE – Int. Soc. Opt. Eng. (USA), Vol.4177 (2000), 282-90
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[9] Wutz, Adam, Walcher Theorie und Praxis der Vakuumtechnik Vieweg Verlag Braunschweig, 5. Edition (1992)
[10] Mastrangelo, Muller Microfabricated Thermal Absolute-Pressure Sensor with on-Chip Digital Front-End Processor IEEE J.Solid State Circuits, Vol 26 No 12 (1991), 1998-2007
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[12] Puers, Reyntjens, Bruyker The NanoPirani – an extremely miniaturized pressure sensor fabricated by focussed ion beam rapid prototyping Sens.&Act. A, Vol 97-98 (2002), 208-214

Claims

Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik bestehend aus einer Verdampferkammer bei hohem und einer Pumpkammer mit niedrigem Druck, getrennt durch eine Düsenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpwirkung durch eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit durch eine vorzugsweise planare Anordnung von vertikal in die Tiefe verlaufenden Düsen zwischen zwei parallelen Platten erzielt wird, die die Kammern durch den Düsenbereich verschließen, eine Öffnung in der Pumpkammer oberhalb der Düsenanordnung zum Ansaugen des zu pumpenden Mediums sowie einer Öffnung zum Austreiben des komprimierten Gases unterhalb der Düsenanordnung.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie aufgrund der kleinen Dimensionen schon bei hohen Drücken ab etwa einer Atmosphäre einsetzbar ist.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl der Anzahl untereinander angeordneter Düsen und damit Druckstufen hohe Kompressionsverhältnisse erreichbar sind.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl der geeigneten Dimensionierung der Pumpe, des Treibmittels bzw. der Verdampfertemperatur der Arbeits-Druckbereich über weite Bereiche variiert werden kann.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Düsenform vorzugsweise vom Laval-Typ ist.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenströmung Überschallgeschwindigkeit erreichen kann.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel ein kondensierbares Medium genutzt wird.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel ein gasförmiges Medium genutzt wird.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel eine Flüssigkeit verwendet wird.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiges Treibmittel verwendet wird, das in einem in der Verdampferkammer angeordnete Heizung in Form einer elektrisch beheizten Wendel verdampft wird.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass alternativ das Treibmittel schon gasförmig in die Verdampferkammer eingeführt wird
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 bis 8 und 11 dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mit einer Kühlung der Außenwand der Pumpkammer versehen ist, um ein gasförmiges Treibmedium zu kondensieren.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 bis 8, 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, dass diese Kühlung durch Luft oder Flüssigkeiten über Kanäle oder Kühlrippen erfolgt.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 bis 8, 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, dass diese Kühlung durch Peltier-Elemente erfolgt.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 bis 8, 11 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verdampferkammer und Pumpkammer eine Verbindung besteht, über die ein kondensiertes Treibmittel zurückgeführt wird, das gleichzeitig als Druckstufe wirkt.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 bis 8, 11 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass diese Verbindung als Kapillare ausgeführt wird, die zur Steuerung der Rückführung mit einer Schicht gegenüber der Pumpkammer höherer Oberflächenenergie ausgekleidet wird.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe durch diese Maßnahmen lageunabhängig betrieben werden kann.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Pumpfunktion in der Pumpkammer am Ein- oder Ausgang, oder in der Verdampferkammer oder in mehreren oder allen Position ein Druckmessung integriert ist.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 und 18 dadurch gekennzeichnet, dass dieses Druckmessung mit einer in Mikrosystemtechnik integrierten Pirani-Anordnung erfolgt.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das in den Ansaugbereich und/oder in den Auspuff ein Flussmessung zur Bestimmung der Saugleistung integriert wird.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 und 20 dadurch gekennzeichnet, dass diese Flussmessung auf einem in Mikrosystemtechnik integrierten Heißdrahtprinzip erfolgt.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Verschmutzung in den Düsenzufuhrkanälen der Verdampferkammer wie auch in der Zu- und Abfuhr am Ein- und Ausgang Partikelfilter integriert werden.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das System aus drei Substraten aufgebaut ist, dessen mittleres wegen dessen guter Wärmeleitung, mechanischer und chemischer Stabilität sowie Strukturierbarkeit vorzugsweise mit anisotropen Plasmaätzverfahren strukturiertes Silizium ist und die beidseitig verschließenden Substrate vorzugsweise wegen dessen geringer thermischer Leitfähigkeit aus anodisch gebondetem Glas bestehen.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das System aus drei Substraten aufgebaut ist, dessen mittleres wegen dessen guter Wärmeleitung, aus einem galvanisch z.B. in einer UV-Liga-Technik aufgebrachten Metallstruktur besteht, vorzugsweise galvanisch aufgewachsen auf einem unteren Glassubstrat und einem oberen Glassubstrat als Verschluss.
Treibmittel-Vakuumpumpe in Mikrosystemtechnik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Polymersubstraten verschlossen werden und auch die Düsenanordnung durch eine z.B. durch Spritzgussverfahren erzeugte Struktur erzeugt wird.