DE102005042656A1 - Micromechanical micro pump for dosing medicine, has substrates connected with each other by anodic bonds, where one substrate is made up of silicone and includes unstructured side and connected with other substrate at unstructured side - Google Patents

Micromechanical micro pump for dosing medicine, has substrates connected with each other by anodic bonds, where one substrate is made up of silicone and includes unstructured side and connected with other substrate at unstructured side Download PDF

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    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps

Abstract

The pump has substrates (110, 120) connected with each other by anodic bonds, and the substrate (120) is made up of silicone. The substrate has an unstructured side (121) and connected with the substrate (110) at the side. The substrate (110) is made up of glass and has input and output holes (112, 114). Recesses are inserted into the substrate (110) in such a manner that membranes (122, 124, 126) are created, and the membranes are moved by actuators (128). An independent claim is also included for a method of manufacturing a micro pump.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Mikropumpe.The The invention relates to a micropump and a method for the production such a micropump.

Aus der Literatur sind verschiedene Konzepte für mikromechanische Mikropumpen bekannt. Die Pumpwirkung wird dabei häufig dadurch erreicht, dass durch Ätzen eines Siliziumsubstrats dünne Membranen hergestellt werden, die durch externe Anregung, z.B. mit einem piezoelektrischen Stellglied in Bewegung versetzt werden und damit eine Pumpwirkung erzeugen. Unter Verwendung der Silizium-Mikromechanik sind zwei Konzepte denkbar: Pumpen aus mehreren direkt aufeinander gebondeten Silizium-Wafern, wie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 200227194 A1 beschrieben, oder Pumpen aus einer Kombination von Silizium- und Glaswafern, wie zum Beispiel in der internationalen Patentanmeldung WO 1999009321 A1 offenbart sind.Out Literature is a variety of concepts for micromechanical micropumps known. The pumping action is often achieved by that by etching of a silicon substrate thin membranes prepared by external excitation, e.g. with a piezoelectric Actuator are set in motion and thus a pumping action produce. Using silicon micromechanics are two Concepts conceivable: Pumps made of several directly bonded together Silicon wafers, as for example in international patent application WO 200227194 A1, or pumps made from a combination of silicon and glass wafers, such as in the international patent application WO 1999009321 A1 are disclosed.

Bekannte Mikropumpen auf Basis von Silizium-Direktbonden sind nur mit sehr großem Aufwand und geringer Ausbeute darstellbar. Dies liegt insbesondere daran, dass die Siliziumwafer zunächst beidseitig strukturiert und üblicherweise mit einem Durchgangsloch versehen werden, danach gereinigt und anschließend beidseitig gebondet werden. Die Reinigung strukturierter Wafer ist extrem schwierig, und da das Silizium-Direktbonden ein sehr partikelsensitiver Prozess ist, ist die Prozessausbeute normalerweise gering.Known Micropumps based on silicon direct bonding are only with great great Effort and low yield can be displayed. This is especially true because the silicon wafers are initially structured on both sides and usually be provided with a through hole, then cleaned and then both sides be bonded. The cleaning of structured wafers is extremely difficult, and because the silicon direct bonding is a very particle-sensitive process is the process yield usually low.

Bei den bekannten Mikropumpen aus einer Kombination von Silizium und Glas wird ebenfalls von einem beidseitig strukturierten Siliziumwafer ausgegangen. Dieser wird üblicherweise ebenfalls mit einem Durchgangsloch versehen und dann nacheinander anodisch mit zwei Glasplatten verbunden. Die Reinigung des Siliziumwafers ist dabei insbesondere vor dem Verbinden mit der zweiten Glasplatte schlecht möglich.at the known micropumps from a combination of silicon and Glass is also made from a double sided silicon wafer went out. This one is usually also provided with a through hole and then successively Anodically connected with two glass plates. The cleaning of the silicon wafer is bad especially before connecting to the second glass plate possible.

VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF INVENTION

Die Erfindung geht aus von einer Mikropumpe mit einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat, wobei das erste Substrat und das zweite Substrat miteinander verbunden sind, und wobei das zweite Substrat aus Silizium ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das zweite Substrat wenigstens eine unstrukturierte Seite aufweist, und das zweite Substrat an der unstrukturierten Seite mit dem ersten Substrat verbinden ist. Vorteilhaft ist das zweite Substrat kostengünstig herstellbar und vor dem verbinden mit dem ersten Substrat leicht zu reinigen.The The invention is based on a micropump with a first substrate and a second substrate, wherein the first substrate and the second Substrate are interconnected, and wherein the second substrate made of silicon. The essence of the invention is that the second substrate has at least one unstructured side, and the second substrate on the unstructured side with the first substrate connect is. Advantageously, the second substrate is inexpensive to produce and easy to clean before connecting to the first substrate.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikropumpe sieht vor, dass das erste Substrat aus einem Glas ist. Vorteilhaft können dabei das erste und zweite Substrat durch anodisches Bonden miteinander verbunden sein. Vorteilhaft ist auch, dass das erste Substrat nur einseitig gebondet wird.A advantageous embodiment of the micropump according to the invention provides that the first substrate is a glass. Advantageous can thereby the first and second substrates by anodic bonding together be connected. It is also advantageous that the first substrate only is bonded on one side.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikropumpe sieht vor, dass das erste Substrat aus Silizium ist, und das erste Substrat mit dem zweiten Substrat vermittels einer Zwischenschicht aus einem Glas verbinden ist. Vorteilhaft sind hier beide Substrate in Silizium-Mikromechanik gefertigt. Vorteilhaft weisen beide Substrate dieselben physikalischen Eigenschaften wie z.B. Temperaturverhalten, Ausdehnung, usw. auf. Vorteilhaft können die beiden Siliziumsubstrate vermittels der Zwischenschicht aus Glas ebenfalls mittels anodischem Bonden miteinander verbinden sein.A advantageous embodiment of the micropump according to the invention provides that the first substrate is made of silicon, and the first substrate with the second substrate by means of an intermediate layer of a Glass is connect. Both substrates in silicon micromechanics are advantageous here manufactured. Advantageously, both substrates have the same physical Properties such as e.g. Temperature behavior, expansion, etc. on. Advantageously, the two silicon substrates by means of the intermediate layer of glass also be connected to each other by anodic bonding.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe mit den Herstellungsschritten

  • (A) Bereitstellen eines ersten Substrats und eines zweiten Substrats aus Silizium, wobei wenigstens das zweite Substrat wenigstens eine unstrukturierte Seite aufweist,
  • (B) Reinigen des ersten Substrats und des zweiten Substrats,
  • (C) Verbinden des zweiten Substrats an der unstrukturierten Seite mit dem ersten Substrat.
The invention further relates to a method for producing a micropump with the production steps
  • (A) providing a first substrate and a second substrate made of silicon, wherein at least the second substrate has at least one unstructured side,
  • (B) cleaning the first substrate and the second substrate,
  • (C) bonding the second substrate to the unstructured side with the first substrate.

Vorteilhaft können nur einseitig strukturierte Substrate im Herstellungsschritt (B) besonders leicht gereinigt werden.Advantageous can only unilaterally structured substrates in production step (B) be easily cleaned.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sieht vor, dass im Herstellungsschritt (A) das erste Substrat als ein Glassubstrat bereitgestellt wird. Glassubstrate sind besonders einfach und kostengünstig herzustellen bzw. zu beschaffen. Vorteilhaft sind weiterhin dieses Glassubstrat und das zweite Substrat aus Silizium durch anodisches Bonden im Herstellungsschritt (C) leicht miteinander zu verbinden.A advantageous embodiment of the manufacturing method according to the invention provides that in the manufacturing step (A), the first substrate as a Glass substrate is provided. Glass substrates are particularly easy and cost-effective manufacture or procure. This is still advantageous Glass substrate and the second substrate made of silicon by anodic Bonding easily in the production step (C).

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sieht vor, dass im Herstellungsschritt (A) das erste Substrat als ein Siliziumsubstrat bereitgestellt wird. Vorteilhaft sind somit beide Substrate aus Silizium, was die Herstellung der Mikropumpe vereinfacht, da nunmehr überwiegend nur Herstellungsverfahren der Siliziummikromechanik zum Einsatz kommen müssen.A Another advantageous embodiment of the manufacturing method according to the invention provides that in the manufacturing step (A), the first substrate as a silicon substrate is provided. Advantageous are thus Both substrates made of silicon, which is the production of the micropump simplified, since now predominantly only manufacturing method of silicon micromechanics used have to come.

Vorteilhaft ist dabei auch, dass im Herstellungsschritt (C) das erste Substrat und das zweite Substrat vermittels einer Zwischenschicht aus einem Glas miteinander verbunden werden.It is also advantageous that in the manufacture (C) the first substrate and the second substrate are interconnected by means of an intermediate layer of a glass.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sieht vor, dass im Herstellungsschritt (C) das erste Substrat und das zweite Substrat mittels anodischem Bonden miteinander verbunden werden.A sees particularly advantageous embodiment of the manufacturing method according to the invention in that in the production step (C) the first substrate and the second substrate connected by anodic bonding become.

Vorteilhaft für die erfindungsgemäße Mikropumpe ist die Verwendung eines einseitig strukturierten Siliziumwafers und eines Glaswafers. Die Reinigung von einseitig strukturierten Wafern vor Bondung ist unproblematisch; daruber hinaus ist die anodische Bondung zwischen Glas und Silizium deutlich weniger partikelsensitiv, da sie die Topographie grundsätzlich besser toleriert als Silizium-Direktbonden. Gleich große Partikel führen beim anodischen Bonden im Gegensatz zum Silizium-Direktbonden zu deutlich kleineren Bonddefekten. Die Erfindung erfordert den Einsatz eines einseitig strukturierten Glases mit Durchgangslöchern. Entsprechende Fertigungstechnologien sind mittlerweile am Markt verfügbar.Advantageous for the Micropump according to the invention is the use of a single-sided structured silicon wafer and a glass wafer. The cleaning of unilaterally structured Wafern before bonding is not a problem; beyond that is the anodic bonding between glass and silicon significantly less particle-sensitive, since they basically topography better tolerated than silicon direct bonding. Equal sized particles to lead in anodic bonding in contrast to silicon direct bonding too clearly smaller bond defects. The invention requires the use of a one-sided structured glass with through-holes. Corresponding production technologies are now available on the market.

Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Mikropumpe beispielsweise zum Dosieren von Medikamenten oder zum genauen Pipettieren von Flüssigkeiten Verwendung finden.Advantageous can the micropump of the invention for example for dosing drugs or for precise pipetting of liquids Find use.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments are given in the dependent claims.

ZEICHNUNGDRAWING

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention are illustrated in the drawing and in the following description explained in more detail.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Mikropumpe. 1 shows a micropump according to the invention.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe. 2 shows a method according to the invention for producing a micropump.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDESCRIPTION OF EXAMPLES

Anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.Based the embodiments described below, the invention be presented in detail.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Mikropumpe in Schnittdarstellung. Die Mikropumpe 100 besteht aus einem ersten Substrat 110 und einem zweiten Substrat 120. Das erste Substrat 110 ist in diesem Beispiel aus Glas. Es weist zwei Durchgangsöffnungen auf, nämlich ein Eingangsloch 112 und ein Ausgangsloch 114. Das erste Substrat 110 weist außerdem Ausnehmungen 116 auf. Das zweite Substrat 120 ist aus Silizium. Es ist vorzugsweise scheibenförmig flach ausgebildet und weist zwei hauptsächliche Seiten auf Eine dieser beiden Seiten ist eine unstrukturierte Seite 121, welche beispielsweise die glatte, unbearbeitete Seite eines Siliziumsubstrats in Form eines Siliziumvafers sein kann. Von der anderen Seite her sind Ausnehmungen in das Substrat 110 eingebracht, derart, dass Membranen 122, 124 und 126 geschaffen sind. Diese Membranen 122, 124, 126 sind mittels Aktuatoren 128 in Richtungen x und -x auslenkbar. Das zweite Substrat 120 ist an seiner unstrukturierten Seite 121 mit dem ersten Substrat 110 verbinden. In diesem Beispiel sind die Substrate 110 und 120 mittels anodischem Bonden von Glas auf Silizium miteinander verbunden. 1 shows a micropump according to the invention in a sectional view. The micropump 100 consists of a first substrate 110 and a second substrate 120 , The first substrate 110 is glass in this example. It has two passage openings, namely an entry hole 112 and an exit hole 114 , The first substrate 110 also has recesses 116 on. The second substrate 120 is made of silicon. It is preferably flat disk-shaped and has two major sides. One of these two sides is an unstructured side 121 which may be, for example, the smooth, unprocessed side of a silicon substrate in the form of a silicon wafer. From the other side are recesses in the substrate 110 introduced such that membranes 122 . 124 and 126 are created. These membranes 122 . 124 . 126 are by means of actuators 128 in directions x and -x deflectable. The second substrate 120 is on its unstructured side 121 with the first substrate 110 connect. In this example, the substrates 110 and 120 connected by anodic bonding of glass on silicon.

In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikropumpe bestehen beide Substrate 110 und 120 aus Silizium und sind mittels einer dazwischen angeordneten Glasschicht durch anodisches Bonden miteinander verbinden.In another embodiment of the micropump according to the invention both substrates exist 110 and 120 made of silicon and are connected by an interposed glass layer by anodic bonding.

Die verbundenen Substrate 110 und 120 schließen Hohlräume, insbesondere eine Kaverne 130 ein, die im Wesentlichen von den Ausnehmungen 116 gebildet werden und von dem zweiten Substrat 120 begrenzt sind.The connected substrates 110 and 120 close cavities, especially a cavern 130 one, essentially from the recesses 116 are formed and from the second substrate 120 are limited.

Die Mikropumpe 100 arbeitet nach dem Prinzip einer Membranpumpe Die beiden äußeren Aktuatoren 128, die beispielsweise piezoelektrisch angetrieben sind, dienen dazu, abwechselnd das Eingangsloch 112 und das Ausgangsloch 114 zu öffnen bzw. zu schließen, der mittlere Aktuator 128 pumpt eine Flüssigkeit durch die Mikropumpe 100 indem mittels der darunter befindlichen Membran 126, das Volumen der Kaverne 130 verändert wird. Beispielhaft wird zum Herauspumpen der Flüssigkeit aus der Pumpkammer der Aktuator 128 ausgelenkt, der einen Einlasskanal, nämlich das Eingangsloch 112 verschließt und der Aktuator 128 ausgelenkt, der durch Verringerung des Volumens der Kaverne 130 die Flüssigkeit zu einem Auslasskanal, nämlich dem Ausgangsloch 114 herausdrückt.The micropump 100 works on the principle of a diaphragm pump The two outer actuators 128 , which are piezoelectrically driven, for example, serve alternately the input hole 112 and the exit hole 114 to open or close, the middle actuator 128 pumps a liquid through the micropump 100 by means of the underlying membrane 126 , the volume of the cavern 130 is changed. By way of example, for pumping out the fluid from the pumping chamber, the actuator 128 deflected, the one inlet channel, namely the entrance hole 112 closes and the actuator 128 deflected by reducing the volume of the cavern 130 the liquid to an outlet channel, namely the exit hole 114 pushes.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe. 2 shows a method according to the invention for producing a micropump.

Die wesentlichen Schritte des Verfahrens sind:

  • (A) Bereitstellen eines ersten Substrats 110 und eines zweiten Substrats 120 aus Silizium, wobei das zweite Substrat 120 wenigstens eine unstrukturierte Seite 121 aufweist.
  • (B) Reinigen des ersten Substrats 110 und des zweiten Substrats 120,
  • (C) Verbinden des zweiten Substrats 120 an der unstrukturierten Seite 121 mit dem ersten Substrat 110.
The essential steps of the process are:
  • (A) Providing a first substrate 110 and a second substrate 120 of silicon, the second substrate 120 at least one unstructured page 121 having.
  • (B) cleaning the first substrate 110 and the second substrate 120 .
  • (C) bonding the second substrate 120 at the unstructured page 121 with the first substrate 110 ,

In dem hier gezeigten Beispiel werden im Herstellungsschritt C die beiden Substrate 110 und 120 mittels anodischem Bonden miteinander verbunden.In the example shown here, in the production step C, the two substrates 110 and 120 connected by anodic bonding.

Das Herstellungsverfahren weist noch weitere Schritte auf. So wird beispielsweise vor dem Herstellungsschritt (A) das erste Substrat 110 strukturiert. Das zweite Substrat 120 bleibt hingegen wenigstens einseitig unstrukturiert. Die Strukturierung des ersten Substrats 110, nämlich in diesem Beispiel des Glaswafers besteht aus einer Vorderseitenbearbeitung zur Herausbildung der Ausnehmungen 116 und somit unter anderem zur Definition des Pumpenvolumens, sowie aus der Strukturierung der Zugangslöcher 112 und 114. Das zweite Substrat kann ebenfalls einseitig strukturiert werden. Insbesondere können die Membranen 122, 124 und 126 durch Ätzen von Ausnehmungen mittels KOH geschaffen werden.The manufacturing process has further steps. For example, before the manufacturing step (A), the first substrate becomes 110 structured. The second substrate 120 on the other hand, at least one-sided remains unstructured. The structuring of the first substrate 110 That is, in this example, the glass wafer consists of a front side processing for the formation of the recesses 116 and thus among other things the definition of the pump volume, as well as the structuring of the access holes 112 and 114 , The second substrate can also be structured on one side. In particular, the membranes can 122 . 124 and 126 be created by etching recesses by means of KOH.

Das hier beschriebene Herstellungsverfahren kann auch auf Waferebene praktiziert werden, d.h. durch Verbinden zweier einseitig strukturierter Wafer gemäß der vorgenannten Herstellungsschritte können eine Vielzahl von Mikropumpen 100 gleichzeitig hergestellt werden. Diese Mikropumpen 100 können im Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren noch vereinzelt werden. Dies geschieht beispielsweise durch Sägen der verbundenen Substrate 110 und 120.The manufacturing method described here can also be practiced at the wafer level, ie, by connecting two single-sided structured wafers according to the aforementioned manufacturing steps, a plurality of micropumps 100 be produced simultaneously. These micropumps 100 can still be separated following the process of the invention. This happens, for example, by sawing the connected substrates 110 and 120 ,

Claims (8)

Mikropumpe (100) wenigstens mit einem ersten Substrat (110) und einem zweiten Substrat (120), – wobei das erste Substrat (110) und das zweite Substrat (120) miteinander verbinden sind, – wobei das zweite Substrat (120) aus Silizium ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das zweite Substrat (120) wenigstens eine unstrukturierte Seite (121) aufweist, – und das zweite Substrat (120) an der unstrukturierten Seite (121) mit dem ersten Substrat verbunden ist.Micropump ( 100 ) at least with a first substrate ( 110 ) and a second substrate ( 120 ), - wherein the first substrate ( 110 ) and the second substrate ( 120 ), wherein the second substrate ( 120 ) of silicon, characterized in that - the second substrate ( 120 ) at least one unstructured page ( 121 ), and the second substrate ( 120 ) on the unstructured page ( 121 ) is connected to the first substrate. Mikropumpe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (110) aus einem Glas ist.Micropump ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the first substrate ( 110 ) is made of a glass. Mikropumpe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (110) aus Silizium ist, und das erste Substrat (110) mit dem zweiten Substrat (120) vermittels einer Zwischenschicht aus einem Glas verbinden ist.Micropump ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first substrate ( 110 ) is made of silicon, and the first substrate ( 110 ) with the second substrate ( 120 ) is connected by means of an intermediate layer of a glass. Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Herstellungsschritten: (A) Bereitstellen eines ersten Substrats 110 und eines zweiten Substrats 120 aus Silizium, wobei wenigstens das zweite Substrat 120 wenigstens eine unstrukturierte Seite 121 aufweist, (B) Reinigen des ersten Substrats 110 und des zweiten Substrats 120, (C) Verbinden des zweiten Substrats 120 an der unstrukturierten Seite 121 mit dem ersten Substrat 110.A method of manufacturing a micropump according to any one of the preceding claims, comprising the steps of: (A) providing a first substrate 110 and a second substrate 120 of silicon, wherein at least the second substrate 120 at least one unstructured page 121 (B) cleaning the first substrate 110 and the second substrate 120 , (C) connecting the second substrate 120 on the unstructured side 121 with the first substrate 110 , Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Herstellungsschritt (A) das erste Substrat (110) als ein Glassubstrat bereitgestellt wird.A method according to claim 4, characterized in that in the manufacturing step (A) the first substrate ( 110 ) is provided as a glass substrate. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Herstellungsschritt (A) das erste Substrat (110) als ein Siliziumsubstrat bereitgestellt wird.A method according to claim 4, characterized in that in the manufacturing step (A) the first substrate ( 110 ) is provided as a silicon substrate. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Herstellungsschritt (C) das erste Substrat (110) und das zweite Substrat (120) vermittels einer Zwischenschicht aus einem Glas miteinander verbunden werden.A method according to claim 6, characterized in that in the production step (C) the first substrate ( 110 ) and the second substrate ( 120 ) are interconnected by means of an intermediate layer of a glass. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Herstellungsschritt (C) das erste Substrat (110) und das zweite Substrat (120) mittels anodischem Bonden miteinander verbunden werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the production step (C) the first substrate ( 110 ) and the second substrate ( 120 ) are connected to each other by means of anodic bonding.
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