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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer
Mikropumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie eine Mikropumpe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 17.
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Mikropumpen
zur kontrollierten und hochgenauen Abgabe von Insulin sind im Grundsatz
bekannt. Bisherige Mikropumpen leiden jedoch unter komplexen Herstellungsprozessen
mit vielen Nicht-Standardprozessschritten. Die vielen Sonderprozessschritte
nach dem bisherigen Stand der Technik machen derartige Mikropumpen
teuer und erniedrigen die Fertigungsausbeuten.
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Darüber
hinaus sind bekannte Mikropumpen nicht genau genug hinsichtlich
der abgegebenen Wirkstoffmengen. Mikropumpen zur Insulinabgabe müssen
jedoch sehr präzise mit hoher Dosiergenauigkeit arbeiten,
und zwar ohne aufwändige Sensorik zur Erfassung abgegebener
Insulinmengen. Eine aktive Flussmessung ist im Zusammenhang mit
Insulin sehr problematisch, weil der Stoff auf erhöhte
Temperaturen, etwa im Zusammenhang mit sogenannten Heißfilmsensoren
zur Flussmessung, schädlich reagiert.
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Ein
schwerwiegender Nachteil bisheriger Mikropumpen ist zudem die mangelnde
Sicherheit: so ist beispielsweise bei Mikropumpen nach dem bisherigen
Stand der Technik die abge gebene Insulinmenge abhängig
vom Vordruck im Insulinvorratsbehälter, der, wenn er als
flexibler Beutel ausgelegt ist, mechanisch unter Druck gesetzt werden
kann. Beispielsweise kann ein Setzen, oder Liegen des Pumpenträgers
auf der Insulinmikropumpe den Vorratsbehälter zu einer
ungewollten Insulinabgabe, bzw. zu einer ungewollten Erhöhung
der gerade abgegebenen Dosis führen. Angesichts der Gefährlichkeit
einer Insulinüberdosierung ist dies unter allen Umständen
zu vermeiden.
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In
der
EP 1 651 867 B1 ist
ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe beschrieben. Die
Fertigung der bekannten Mikropumpe ist äußerst
aufwändig, da während des Herstellungsprozesses,
bei dem unterschiedliche Siliziumschichten von zwei entgegengesetzten
Seiten her strukturiert werden, immer wieder, beispielsweise in
den
3b und
3c der Druckschrift
gezeigte, fragile Zwischenzustände entstehen, die aufwändig
abgestützt werden müssen, um eine Zerstörung
der Mikropumpe bereits bei deren Fertigung zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum großtechnischen
Herstellen einer Mikropumpe vorzuschlagen, bei dem fragile Zwischenzustände
vermieden werden. Darüber hinaus besteht die Aufgabe darin,
eine großtechnisch herstellbare Mikropumpe vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und hinsichtlich der Mikropumpe mit den Merkmalen des Anspruchs
17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung
fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei
von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten
Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen verfahrensgemäß offenbarte
Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart
gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte
Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten
und beanspruchbar sein.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, sämtliche mikrofluidischen
Funktionselemente der Mikropumpe, nämlich mindestens ein
Einlassventil, mindestens eine Pumpkammer und mindestens ein Auslassventil,
nicht wie im Stand der Technik durch eine Strukturierung mehrerer
Schichten von zwei Seiten her herzustellen, sondern sämtliche
Funktionselemente der Mikropumpe ausschließlich durch Vorderseitenstrukturierung,
also durch eine Strukturierung, insbesondere durch Ätzen,
aus nur einer Richtung, nämlich ausgehend von einer Vorderseite einer
ersten Trägerschicht auf diese zu zu erzeugen. Anders ausgedrückt
wird vorgeschlagen, zum Herstellen der Mikropumpe mindestens einen
integralen Träger, nämlich eine erste Trägerschicht
vorzusehen, auf deren Vorderseite mehrere Schichten angeordnet werden,
von denen mindestens eine Schicht zum Herstellen der Funktionselemente
strukturiert wird, und zwar nicht von der bevorzugt als Auflage
dienenden Rückseite der ersten Trägerschicht her,
sondern auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht in
Richtung auf die erste Trägerschicht zu. Dabei bleibt die erste
Trägerschicht während der Herstellung der Funktionselemente
bevorzugt unstrukturiert und sorgt somit für eine absolute
Dichtheit zwischen der Vor derseite der ersten Trägerschicht
und der Rückseite der Trägerschicht, mit der die
Trägerschicht während der Herstellung der Mikropumpe
immer wieder auf einem sogenannten Chuck einer Prozessstation bzw.
-anlage aufliegt. Dadurch, dass beim Erzeugen der Funktionselemente
die Trägerschicht, vorzugsweise unbeschadet, vorhanden
ist, werden fragile Zwischenzustände bei der Herstellung
der Mikropumpe mit Vorteil vermieden, wodurch auf Stützfolien,
etc. bei der Herstellung verzichtet werden kann und somit die Vorraussetzungen
für eine großtechnische Herstellung der Mikropumpe
geschaffen werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der,
bevorzugt nach dem Herstellen der mikrofluidischen Funktionselemente durch
Strukturieren, mindestens einer Schicht, zusätzlich zu
der ersten Trägerschicht eine zweite Trägerschicht
vorgesehen wird. Besonders bevorzugt handelt es sich hierbei um
einen Borosilikatglaswafer, der mit Abstand zu der ersten Trägerschicht
auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht angeordnet wird,
wodurch die auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht
angeordneten, zumindest teilweise, strukturierten Schichten sandwichartig
zwischen der ersten und der zweiten Trägerschicht eingeschlossen werden.
Bevorzugt erfolgt das Festlegen der zweiten Trägerschicht
durch anodisches Ronden, insbesondere auf der Oberfläche
der von der ersten Trägerschicht am weitesten entfernten,
vorzugsweise, strukturierten Schicht. Dabei ist eine Ausführungsform
besonders bevorzugt, bei der die Flüssigkeitszuleitung
zum Einlassventil und/oder die Flüssigkeitsableitung vom
Auslassventil, insbesondere senkrecht, durch die zweite Trägerschicht
erfolgt, wobei hierzu in der zweiten Trägerschicht mindestens ein
Fluidkanal, vorzugsweise zwei Fluidkanäle, vorzusehen sind/ist.
Dabei ist es möglich, die Fluidkanäle nach dem
Festlegen der zweiten Trägerschicht in diese einzubringen.
Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der der
mindestens eine Fluidkanal bereits vor dem Festlegen der zweiten
Trägerschicht in diese, beispielsweise durch Ätzen,
oder durch Laserbeschuss, oder durch Bohren z. B. mittels eines Diamantbohrers,
oder durch Ultraschallbohren eingebracht ist. Besonders bevorzugt
ist die zweite Trägerschicht derart angeordnet, dass diese
unmittelbar mit einem Einlassventil und/oder einem Auslassventil der
Mikropumpe zusammenwirkt und/oder die mindestens eine, vorzugsweise
die ausschließlich eine, Pumpkammer unmittelbar, insbesondere
auf der der Pumpenmembran gegenüberliegenden Seite, begrenzt.
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Durch
das Vorsehen einer zweiten Trägerschicht, also eines zweiten
integralen Trägers bzw. einer zweiten integralen Stützschicht
ist es möglich, die erste Trägerschicht (nach
dem Anordnen der zweiten Trägerschicht) zu entfernen und
somit minimale Abmessungen der Mikropumpe zu realisieren und gleichzeitig,
bei einer entsprechenden Anordnung des Einlassventils und/oder der
Pumpkammer und/oder des Auslassventils, Platz zu schaffen für
die Anordnung von, insbesondere als Piezoaktuatoren ausgebildeten,
Aktuatoren für die Mikropumpe. Das Entfernen der ersten
Trägerschicht kann beispielsweise durch isotropes Ätzen,
z. B. Plasmaätzen, und/oder durch Rückschleifen
und/oder durch Nassätzen erfolgen. Bevorzugt wird nach
dem Entfernen der ersten Trägerschicht auch eine bevorzugt
mittelbar auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht
angeordnete, später noch zu erläuternde Ätzstoppschicht
entfernt, sodass etwaige Aktuatoren unmittelbar auf die auf der
Vorderseite der Ätzstoppschicht vorgesehene Schicht zum
Steuern des Pumpvorgangs einwirken können. Bezüglich
einer bevorzugten Vorgehenswei se zur Entfernung der ersten Trägerschicht
wird auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform des Herstellungsverfahrens,
bei dem die erste Trägerschicht während der Vorderseitenstrukturierung
mindestens einer vor der ersten Trägerschicht angeordneten,
also auf deren Vorderseite befindlichen Schicht, also zumindest
während der Herstellung sämtlicher mikrofluidischer
Funktionselemente unstrukturiert bleibt. Dies ist insbesondere deshalb möglich,
da die Strukturierung der Schichten ausschließlich auf
der Vorderseite der ersten Trägerschicht erfolgt.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform des Herstellungsverfahrens,
bei der die erste Trägerschicht aus einer Silizium enthaltenden Schicht,
insbesondere einer Siliziumschicht, besteht. Dabei ist es denkbar,
als erste Trägerschicht einen Siliziumwafer einzusetzen.
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Wird
als erste Trägerschicht ein Siliziumwafer eingesetzt, wird
unmittelbar auf den Siliziumwafer eine, vorzugsweise Siliziumoxid
enthaltende, untere Stoppschicht aufgebracht. Bevorzugt handelt
es sich dabei um ein thermisches Oxid. Besonders bevorzugt ist es,
an geeigneter Stelle mindestens ein Kontaktloch für eine
elektrische Kontaktierung ausgehend von der ersten Trägerschicht
zu nachfolgend aufgebrachtem Silizium zu ermöglichen. Dieser
elektrische Kontakt ist vorteilhaft für ein späteres,
zuvor erwähntes, anodisches Ronden einer zweiten Trägerschicht,
wobei ein Stromfluss für das Eingehen einer hochfesten
Verbindung zu der vorzugsweise als Glassubstrat ausgebildeten zweiten
Trägerschicht erforderlich wird. Wird die Stoppschicht
unmittelbar auf der ersten Trägerschicht mit mindestens
einem Kontaktloch versehen, so ist bevorzugt darauf zu achten, dass
sich oberhalb des mindestens einen Kontaktlochs ein Stoppschichtabschnitt
befindet, um, falls die erste Trägerschicht später
nach dem Herstellen der Funktionselemente durch Ätzen entfernt
werden soll, der Ätzvorgang in einem Bereich oberhalb des
mindestens einen Kontaktlochs sicher gestoppt wird, d. h. immer
auf eine Stoppschicht trifft: entweder eine noch zu erläuternde
"untere" Stoppschicht, oder eine noch zu erläuternde "obere"
Stoppschicht (Opferschicht).
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Auf
die genannte Stoppschicht, die unmittelbar auf der ersten Trägerschicht
angeordnet ist, wird in Weiterbildung der Erfindung bevorzugt eine
Basisschicht angeordnet, die bevorzugt Silizium enthält oder
aus Silizium besteht. Diese Basisschicht bildet gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform die Grund- oder Basisschicht
der fertigen Mikropumpe, die unmittelbar von später noch
zu erläuternden Aktuatoren beaufschlagt wird. Besonders
bevorzugt werden in dieser Basisschicht keine Funktionselementstrukturen
vorgesehen.
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Wird
nicht von einem Siliziumwafer als erster Trägerschicht
zur Herstellung der Mikropumpe ausgegangen, ist es alternativmöglich,
einen Silicone-On-Insulator-Wafer (SOI-Wafer) einzusetzen, wobei
die erste Trägerschicht integraler Bestandteil des SOI-Wafers
ist und die Rückseite des SOI-Wafers bildet. Bei einer
derartigen Ausgangslage kann auf das Aufbringen der erwähnten
Stoppschicht und der erwähnten Basisschicht verzichtet
werden, da diese bereits integraler Bestandteil des SOI-Waferaufbaus sind.
Um, falls ein Verbinden einer zweiten Trägerschicht durch
anodisches Ronden beabsichtigt ist, die benötigte Spannung
anlegen zu können, ist es erforderlich, geeignete Kontaktiermittel
bereitzu stellen, um z. B. die Stromzufuhr direkt an die vordere
SOI Waferschicht (insbesondere die Basisschicht) über den
Waferrand, beispielsweise durch Klammern oder Federkontakte zu ermöglichen.
Dies ist notwendig, da bei einem SOI-Wafer üblicherweise
in der enthaltenen Stoppschicht kein Kontaktloch vorgesehen ist.
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Bevorzugt
wird die Basisschicht als epitaktisch hergestelltes polykristallines
Silizium (EpiPoly-Siliziumschicht) ausgebildet, wobei die Dicke
bevorzugt im Bereich von etwa 11 μm liegt. Die Basisschicht
kann optional, beispielsweise durch sogenanntes CMP (chemisch-mechanisches
Polieren), planarisiert, also poliert werden.
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Unabhängig
von der gewählten Ausgangslage (Siliziumwafer oder SOI-Wafer)
wird auf die Basisschicht in Weiterbildung der Erfindung eine (obere), als
Opferschicht dienende, Stoppschicht abgeschieden und so strukturiert,
dass auf ausgewählten Flächen eine bevorzugt dicke
Stoppschicht (Opferschicht) stehen bleibt. Besonders bevorzugt enthält die
Stoppschicht Siliziumoxid oder besteht daraus. Anstelle der Strukturierung
der Stoppschicht nach deren Aufbringen ist es auch denkbar die Stoppschicht
gezielt nur in spezifischen Flächenbereichen aufzubringen.
Flächenbereiche, in denen, insbesondere nach einer entsprechenden
Strukturierung, die Stoppschicht stehen bleibt, wird während
späterer Fertigungsschritte ein Ätzprozess, insbesondere
ein Siliziumplasma-Ätzprozess, gestoppt. Nachfolgend kann
die Stoppschicht (hier Opferschicht) selektiv entfernt werden (daher
die Bezeichnung "Opferschicht"), beispielsweise um freitragende,
bewegliche Funktionselementstrukturen zu erzeugen. Wie erwähnt,
besteht die Stoppschicht bevorzugt aus Oxid und kann beispielsweise
zwischen etwa 4 und 5 μm dick sein.
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In
der Fertigungsvariante "SOI-Wafer" kann beispielsweise ein thermisches
Oxid bis zu einer Dicke von etwa 2,5 μm aufgewachsen und
darüber noch ein etwa 1,8 μm dickes Oxid abgeschieden
werden, etwa in der Form von TEOS oder Plasmaoxid, was in Summe
eine Oxiddicke von 4,3 μm ergibt. In der Variante "Silizium-Wafer"
wird bevorzugt auf eine thermische Oxidation verzichtet, da hierdurch
nicht tolerierbare Stressgradienten in die Basisschicht (vorzugsweise
EpiPoly-Silizium) eingetragen würden, und die weitere Verwendung
als mechanisches Schichtmaterial unmöglich machen würden.
Für den Fall "Silizium-Wafer" erfolgt die Abscheidung der
vollen Oxiddicke bevorzugt als TEOS oder Plasmaoxid.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das,
insbesondere unmittelbar, auf der Vorderseite der auf der Basisschicht
bereichsweise angeordneten Stoppschicht sowie in den nicht von der
Stoppschicht erfassten Bereichen der Basisschicht eine Funktionsschicht
angeordnet wird. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine EpiPoly-Siliziumschicht,
vorzugsweise mit einer Dicke zwischen etwa 15 und 24 μm.
Insbesondere dann, wenn auf der Oberfläche der Funktionsschicht
später anodisch gebondet werden muss (zweite Trägerschicht)
ist eine Planarisierung der Oberfläche, etwa durch ein CMP-Verfahren
besonders bevorzugt und zwar unabhängig davon, ob bereits
vorangehend die Basisschicht (entweder aufgebracht auf eine Stoppschicht oder
Bestandteil eines SOI-Waferaufbaus) planarisiert wurde. Der Planarisierungsschritt
muss die Topographie der Oberfläche. der Funktionsschicht
einebnen und die Flächen für eine Bondung mikroskopisch
"glätten".
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass in
die Vorderseite der Funktionsschicht mindestens ei ne Vertiefung
eingebracht wird, vorzugsweise mit einer Tiefe zwischen etwa 2 und
5 μm, um in diesem Bereich einen Kontakt mit der zu bondenden
zweiten Trägerschicht zu vermeiden, insbesondere weil bevorzugt
mit mindestens einem vertieften Bereich mindestens ein bewegliches
Funktionselement verbunden ist.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der auf
der Vorderseite der Funktionsschicht, vorzugsweise in mindestens
einem von mindestens einer Vertiefung umgebenen Bereich, mindestens
eine Antibond-Schicht als Ventildichtfläche aufgebracht
wird. Die Antibond-Schicht muss derart beschaffen sein, dass sie
bei einem anodischen Bondvorgang, bei dem die zweite Trägerschicht
an der Funktionsschicht festgelegt wird, nicht an der zweiten Trägerschicht
anhaftet. Beispielsweise kann die Antibond-Schicht in Form von Siliziumnitrid
oder Siliziumkarbid oder Graphit, etc. ausgebildet werden. Zusätzlich
oder alternativ zu dem Vorsehen mindestens einer Antibond-Schicht
auf der Vorderseite der Funktionsschicht ist es möglich,
insbesondere im Bereich des Einlass- und/oder des Auslassventils
mindestens eine Antibond-Schicht auf der zweiten Trägerschicht
vorzusehen, die ein Anhaften der zweiten Trägerschicht
an der Funktionsschicht auch bei einem anodischen Bondprozess sicher
verhindert.
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Bevorzugt
wird die Funktionsschicht, beispielsweise durch Trench-Ätzen,
so strukturiert, dass in der Funktionsschicht, zumindest teilweise,
eine Einlassventilstruktur und/oder eine Pumpenstruktur und/oder
eine Auslassventilstruktur erzeugt werden, also zumindest teilweise
Funktionselemente der Mikropumpe geschaffen werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform des Herstellungsverfahrens,
bei der die erzeugte Einlassventilstruktur und/oder die Auslassventilstruktur
mindestens einen Spiralfederabschnitt umfassen. Dabei trägt
die mindestens eine Spiralfeder bevorzugt den Ventilstempel des
jeweiligen Ventils. Es können auch mehrere, beispielsweise
zwei bis fünf, derartiger Spiralfedern, bevorzugt drei
Spiralfedern, so ineinander geschachtelt werden, dass der zentrale
Ventilstempel völlig symmetrisch von diesen gehalten wird
und sich jeglicher Eigenspannung in den Federn durch eine minimale
Verdrehung des Ventilstempels vollständig abbauen kann.
Durch die relativ großen Federlängen wird dabei
eine weiche Aufhängung des zentralen Ventilstempels in
Z-Richtung (also senkrecht zur Flächenerstreckung der ersten
und zweiten Trägerschicht) realisiert, wobei die Federhöhe
nahezu der gesamten Funktionsschichthöhe entspricht. In
diesem Zustand sitzt der mindestens eine Einlassventilstempel und/oder
der mindestens eine Auslassventilstempel noch fest auf der unterhalb
der Funktionsschicht angeordneten Stopp- bzw. Opferschicht.
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Insbesondere
um den Einlassventilstempel in Z-Richtung verstellbar zu machen
und/oder die Pumpkammer und/oder die Auslassventilkammer zu vergrößern,
wird in Weiterbildung der Erfindung bevorzugt die an die Funktionsschicht
angrenzende (obere) als Opferschicht dienende Stoppschicht, beispielsweise
mit Hilfe von flüssiger oder dampfförmiger Flusssäure.
in an sich bekannter Weise entfernt. Nach diesem Ätzvorgang
ist die Funktionseinheit "Einlassventil" frei beweglich und kann
somit in Z-Richtung ausgelenkt werden. Der Abstand der mindestens
einen Spiralfeder zur Basis-Schicht entspricht nun bevorzugt der
Dicke der zuvor entfernten Stoppschicht (Opferschicht) von vorzugsweise
etwa 4 bis 5 μm. Es ist vorteilhaft, dass bei dem beschriebenen Ätzprozess
möglichst viele Bereiche der erwähnten Stoppschicht
mit entfernt werden, da diese später unerwünschte
Druckspannungen in den mechanischen Aufbau der Mikropumpe eintragen
würden.
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Die
Erfindung führt auch auf eine Mikropumpe, insbesondere
zum hochgenauen Fördern von Insulin, wobei die Mikropumpe
mehrere Funktionselemente, wie mindestens ein Einlassventil und
mindestens ein Auslassventil und mindestens eine Pumpkammer aufweist.
Eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Mikropumpe zeichnet
sich dadurch aus, dass sämtliche derartige Funktionselemente
der Mikropumpe ausschließlich durch Strukturierung von
Schichten aus einer Richtung hergestellt sind. Anders ausgedrückt
werden die Funktionselemente nicht durch zweiseitige Strukturierungsprozesse,
sondern lediglich durch Strukturierungsprozesse erzeugt, die von
einer Richtung und von einer Seite her erfolgen. Hierdurch können
fragile Fertigungszustände vermieden werden und die Mikropumpe
somit großtechnisch mit hoher Ausbeute hergestellt werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung weist die Mikropumpe eine Trägerschicht,
insbesondere aus Borosilikatglas, auf, in der mindestens ein Fluidkanal, insbesondere
ein Einlasskanal und/oder ein Auslasskanal, eingebracht sind/ist.
Bevorzugt begrenzt die Trägerschicht zusätzlich
die Pumpkammer unmittelbar.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Erfindung,
bei der das mindestens eine, vorzugsweise das ausschließlich
eine Einlassventil, mindestens eine Spiralfeder umfasst, die derart
angeordnet ist, dass sie eine in Z-Richtung weiche Aufhängung
des Ventilstempels des Einlassventils gewährleistet. Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform mit mehreren ineinander
verschachtelten Spiralfedern, um unerwünschten Materialstress
abbauen zu können.
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Im
Hinblick auf einen Einsatz der Mikropumpe als Insulin-Förderpumpe
zur hochgenauen Insulindosierung ist eine Ausführungsform
besonders bevorzugt, bei der das Einlassventil der Mikropumpe mittels
mindestens eines Aktuators, vorzugsweise eines Piezoaktuators, aktiv
abdichtbar ist, also eine Ausführungsform, bei der das
Einlassventil der Mikropumpe durch eine entsprechende Aktivierung mindestens
eines Aktuators geschlossen gehalten werden kann, um somit einen
Insulineintritt in die Mikropumpe selbst für den Fall zu
verhindern, dass der Insulinvorrat selbst mit Druck beaufschlagt
wurde. Anders ausgedrückt wird das Fördervolumen
der Mikropumpe hierdurch unabhängig vom Vordruck im Insulinvorratsbehältnis.
Hierdurch kann eine hohe Dosiergenauigkeit erreicht werden. Durch
die beschriebene Ausführungsform werden vor allem unerwünschte
Wirkstoff-Flüsse bzw. Rückflüsse von
einer geforderten Dosiermenge unterdrückt und die Dosierabgabe
streng an ein sogenanntes "Stroke-Volumen", das ist die Menge, die
einem Pumpenstoß bzw. "Stroke" entspricht, gekoppelt.
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Bevorzugt
ist eine Ausführungsform, bei der eine, insbesondere an
einem Ventilstempel angeordnete, Ventildichtfläche des
Einlassventils mittels mindestens eines Aktuators gegen die Trägerschicht pressbar
ist um somit ein ungewolltes Einströmen von Fluid, insbesondere
Insulin in die Mikropumpe zu vermeiden. Bevorzugt ist auch eine
Ventildichtfläche eines Auslassventils mittels mindestens
eines Aktuators aktiv gegen die Trägerschicht pressbar.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
einer Mikropumpe beschrieben: Bevorzugt wird die Mikropumpe inklusive
eines Wirkstoffvorrats (vorzugsweise eines Insulinvorrats) und ggf.
auch angeschlossener Injektionsnadel oder Mikronadelarray vorzugsweise
als sogenanntes "Disposable" – ein Wegwerfartikel – in eine
Vorrichtung montiert, insbesondere eingeklippst, die für
den Endbenutzer die sogenannte "Pumpe" darstellt. Die "Pumpe" enthält
bevorzugt die Steuerelektronik, die Energieversorgung z. B. durch
Batterien oder Akkumulatoren, ein Benutzer-Interface und/oder eine
drahtlose Schnittstelle zu einem Benutzer-Interface oder zu einer
telemedizinischen Einrichtung, oder eventuell auch eine drahtlose
Schnittstelle zu einer Blutzuckerwertbestimmungseinrichtung, die
gemessene Blutzuckerdaten an die "Pumpe" zur weiteren Verarbeitung übermittelt.
Die "Pumpe" enthält bevorzugt auch die Aktuatoren der Mikropumpe.
Hierbei handelt es sich um bis zu drei Aktuatoren, bevorzugt um
drei Aktuatoren, die an dafür vorgesehenen Stellen auf
die Mikropumpe einwirken, bevorzugt auf das Einlassventil, auf die
Pumpenmembran (also auf die Pumpkammer) und auf das Auflassventil.
Die bis zu drei Aktuatoren können bevorzugt in Form von
sogenannten Piezostacks ausgeführt werden, d. h. Anordnungen
von kaskadenartig hintereinander geschalteten piezoelektrischen Scheiben
oder Einzelelementen zu jeweils einem Piezoaktuator, der sich durch
eine angelegte elektrische Spannung in seiner Länge verkürzt
oder verlängert, je nach Polung der elektrischen Spannung
relativ zur Polarisation der Piezoelemente.
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Zunächst
wird die Pumpenfunktion mit einer Anordnung aus drei Aktuatoren
beschrieben, obwohl es auch möglich ist, auf einzelne Aktuatoren
zu verzichten und die entsprechende, damit verbundene Teilfunktion
oder zusätzliche Sicherheit aufzugeben.
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Nach
der Montage der Mikropumpe in der dafür vorgesehenen Aufnahmevorrichtung
(„Pumpe") werden die Aktuatoren konditioniert, d. h. einmal in
eine definierte Position gebracht und dort fixiert:
- • Sodass ein erster Aktuator auf eine Membran (vorzugsweise
Basisschicht) unter dem Einlassventilstempel drückt und über
diese Membran das Einlassventil gegen die zweite Trägerschicht
geschlossen und blockiert wird,
- • sodass ein zweiter Aktuator auf der Membran (vorzugsweise
Basisschicht) der Mikropumpe gerade eben aufliegt und so deren "Ausgangslage" definiert,
oder alternativ einfach die Membran bis zum von der zweiten Trägerschicht
gebildeten Anschlag durchdrückt;
- • sodass ein dritter Aktuator auf den Bereich des Auslassventilstempels
(insbesondere auf die Basisschicht) drückt und diesen gegen
die zweite Trägerschicht schließt und blockiert.
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Das
Konditionieren kann manuell oder bevorzugt automatisch (beispielsweise
motorgetrieben) erfolgen, indem z. B. ein Aktuatorblock, umfassend die
drei relativ zueinander positionierten Aktuatoren, als eine Einheit
nach vorne bewegt, solange bis z. B. eine Resonanzsequenzänderung
eines der Ak tuatoren (vorzugsweise des Piezostacks) anzeigt, dass eine
Berührung mit der Mikropumpe, insbesondere der Basisschicht
oder eine Krafteinwirkung auf die Aktuatoren stattfindet. Da der
Aktuatorblock vorteilhaft als eine Einheit vorwärts bewegt
wird und die einzelnen Aktuatoren aus dem Block zuvor vom Hersteller
relativ zueinander richtig positioniert wurden, genügt
die Messung an einem einzigen Aktuator, insbesondere an einem einzigen
Piezoelement, um zu erkennen, dass die gesamte Anordnung die richtige Lage
erreicht hat. Z. B. ist die Berührung der eigentlichen
Pumpenmembran (vorzugsweise Basisschicht) durch den zweiten Aktuator über
dessen Schwingungsverhalten bei elektrischer Resonanzanregung sehr
leicht zu detektieren. Kerngedanke dieses Konditionierverfahrens
ist es, dass wenn nur ein Aktuator in seiner Soll-Position vorgeschoben
wird, auch automatisch die Soll-Positionen der anderen Aktuatoren
stimmen, weil sie auf dem Aktuatorblock relativ zueinander einjustiert
worden sind. Besonders einfach, weil ohne Messung durchführbar,
ist die Methode, einen Aktuator einfach auf einen harten Anschlag
zu bringen, also beispielsweise das Einlassventil und/oder das Auslassventil
zu blockieren oder aber die Pumpenmembran bis zum Anschlag durchzudrücken.
Dazu wird der Aktuatorblock mit definierter Kraft soweit vorgefahren,
bis aufgrund des harten Anschlags keine weitere Bewegung mehr möglich
ist. In diesem Fall erübrigt sich eine aktive Messung der Aktuatorposition
(etwa durch Resonanzfrequenzänderung).
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Konditionierverfahrens
wird die Konditionierung mit Hilfe mindestens einer einfachen Feder
oder Federanordnung, die den Aktuatorblock ohne weitere Motorik
einfach nach vorn gegen die Mikropumpe drückt, durchgeführt.
Wenn mindestens eines der Ventile, entweder das Einlassventil oder
das Auslassventil, mechanisch blockiert werden soll, also wenigstens
einer der beiden Aktuatoren unverkürzt auf die Mikropumpe
bzw. deren Ventilsitze wirkt, ist die Soll-Position des Aktuatorblocks
relativ zur Mikropumpe immer definiert. Es ist im Betrieb der Pumpe niemals
vorgesehen, dass sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil
beide gleichzeitig freigegeben würden, also beide zugehörigen
Aktuatoren verkürzt wären. Dieses Funktionsmerkmal
gestattet eine besonders einfache Positionierung des Aktuatorblocks
mittels einer Feder, die nur stark genug sein muss, um die beiden
Ventile sicher zu blockieren und gegen ihre Anschläge – ihre
Ventilsitze – zu drücken. Damit ist auch die Position
des gesamten Aktuatorblocks definiert. Die Mikropumpe wird dann
nur in die dafür vorgesehene Position, beispielsweise innerhalb
einer Führung oder in einen seitlichen Rahmen in die "Pumpe"
eingesetzt bzw. eingeklippst, wobei der Aktuatorblock, bevorzugt
beispielsweise manuell etwas zurückgeschoben werden muss,
um die Mikropumpe aufnehmen zu können. Ist die Mikropumpe
in Position gebracht, lässt man die Feder des Aktuatorblocks
letzteren einfach gegen die Mikropumpe drücken, wodurch
beispielsweise sowohl das Einlassventil als auch. das Auslassventil
blockiert werden und gleichzeitig auch der der Pumpenmembran zugeordnete
Aktuator in seiner Position relativ zur Pumpenmembran exakt definiert
wird.
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Insbesondere
dann, wenn auf eine hohe Dynamik des Pumpvorgangs verzichtet werden
soll, ist es möglich, beispielsweise den Pumpenmembranaktuator
(zweiter Aktuator) einzusparen und beispielsweise durch ein starres
Abstandselement zu ersetzen, welches auf die Pumpenmembran (vorzugsweise
Basisschicht) drückt. In diesem Fall können die beiden
Ventilak tuatoren ausreichen, um über den Aktuatorblock
und das Abstandselement auch die Pumpwirkung selbst aufzubringen.
Soll z. B. das Auslassventil freigegeben und anschließend
die Pumpenmembran per "Stroke" in Anschlag gebracht werden, kann
der Auslassventilaktuator um die Dicke der Basisschicht von beispielsweise
ca. 20 μm zuzüglich eines zusätzlichen
Offsets von etwa 5 μm zurückgenommen werden, vorzugsweise
unter Ausnutzung des Piezoeffekts. Anschließend wird der
Einlassventilaktuator beispielsweise um etwas weniger als die Basisschichtdicke,
also beispielsweise 19,5 μm zurückgenommen, wodurch
das, insbesondere mittlere, Abstandselement mitsamt dem Aktuatorblock
um eben diese Strecke vorrückt und die Pumpenmembran (vorzugsweise
Basisschicht) gegen ihren Anschlag (vorzugsweise zweite Trägerschicht)
oder nahezu gegen ihren Anschlag auslängt. In allen beschriebenen
Fällen ist es sehr leicht ermöglicht, den Aktuatorblock
selbsttätig, nur durch mindestens eine einfache Feder oder
Federanordnung in die gewünschte Position relativ zur Mikropumpe
zu bringen, was eine bequeme Handhabung beim Einsetzen der Mikropumpe
bedeutet und auch Eigensicherheit mit sich bringt: Durch die passive
Federwirkung ist sichergestellt, dass im elektrisch spannungslosen Zustand
alle Ventile blockiert sind, also ein "Normally-Closed-Verhalten"
vorliegt. In dieser Konstellation kann kein Insulin die Mikropumpe
passieren, selbst wenn der Vorratsbehälter unter Druck
gesetzt wird, weil sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil von
jeweils einem Aktuator zugedrückt werden.
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Die
Mikropumpe arbeitet im Falle des Vorsehens von drei Aktuatoren wie
folgt:
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Vor
einem Pumpstoß wird der dem Auslassventil unmittelbar zugeordnete
Aktuator beispielsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung
an den Piezostack zurückgezogen, wodurch das Auslassventil
freigegeben wird. Dies bedeutet noch nicht, dass das Auslassventil
geöffnet wird, es bleibt vielmehr so lange weiter geschlossen,
bis es durch einen Überdruck im Inneren der Mikropumpe
geöffnet wird. Erst dann kann Insulin die Mikropumpe verlassen.
Da das Einlassventil bevorzugt immer noch blockiert ist, kann aus
dem Insulinvorrat kein Insulin in die Mikropumpe gelangen.
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Nun
wird der der Membran der Mikropumpe unmittelbar zugeordnete Aktuator,
vorzugsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung, verlängert
und drückt die Pumpenmembran (vorzugsweise die Basisschicht)
bis zum oberen Anschlag, d. h. bevorzugt bis zur zweiten Trägerschicht
durch. Dabei wird das sogenannte "Stroke-Volumen" durch das Auslassventil
abgegeben.
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Als
nächster Schritt wird das Auslassventil durch Verlängerung
des diesem zugeordneten Aktuators blockiert (beispielsweise durch
Wegnehmen der elektrischen Spannung, die den Aktuator verkürzt hatte
oder kurzzeitig die Spannung umpolen und erst dann auf Null setzen)
und danach der dem Einlassventil zugeordnete erste Aktuator, beispielsweise durch
Anlegen einer elektrischen Spannung verkürzt, wodurch das
Einlassventil freigegeben, aber noch nicht geöffnet wird.
Das Einlassventil bleibt vielmehr weiter geschlossen, und zwar selbst
gegen einen Überdruck von Außen im Insulinvorrat,
weil aus der Mikropumpe aufgrund des blockierten Auslassventils nichts
abfließen kann. Erst wenn der zweite, der Pumpkammer zugeordnete
Aktuator verkürzt wird, beispielsweise durch Wegnehmen
der elektrischen Spannung am Piezostack und sich die Pumpenmembran
(vorzugsweise die Basisschicht) in ihrer Ausgangslage zurückbewegt,
wird das Einlassventil geöffnet und ein "Stroke-Volumen"
Insulin gelangt in die Mikropumpe. Danach wird der erste, dem Einlassventil
zugeordnete Aktuator wieder elektrisch spannungslos geschaltet,
wodurch er sich bis zu seiner Ausgangslänge ausdehnt und
das Einlassventil erneut blockiert. Daraufhin kann der Pumpvorgang
wiederholt werden. Der dritte Aktuator (Auslassventilaktuator) gibt
das Auslassventil frei, der zweite Aktuator (Pumpenaktuator) führt
einen "Stroke" durch und das "Stroke-Volumen" wird durch das Auslassventil
aus der Mikropumpe gefördert. Der dritte Aktuator blockiert
dann das Auslassventil und der erste Aktuator gibt das Einlassventil
frei, woraufhin der zweite Aktuator die Pumpenmembran in ihre Ausgangslage
zurückführt, wobei über das Einlassventil
das vorher abgegebene "Stroke-Volumen" aus dem Insulinvorratsbehälter
wieder ersetzt wird und in die Mikropumpe gelangt, woraufhin das
Einlassventil mittels des ersten Aktuators wieder blockiert wird,
usw.
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Wesentlich
ist, dass stets nur das "Stroke-Volumen" in die Mikropumpe gelangt,
und zwar unabhängig von einem allfälligen Vordruck
im Vorratsbehältnis, und auch stets genau dieses "Stroke-Volumen"
aus der Mikropumpe gefördert wird, ohne einen schädlichen
Rückfluss in die Mikropumpe zurück. Dadurch wird
die Dosierung sehr genau und die Mikropumpe eigensicher, auch bei Überdruck
im Vorratsbehältnis. Wegen ihrer hohen longitudialen Steifigkeit
bieten sich als Aktuatoren Piezoaktuatoren an, anhand derer beispielhaft
die Funktion der Mikropumpe beschrieben wurde. Es ist jedoch auch
möglich andere Aktuatoren, beispielsweise thermische oder
elektrische Aktuatoren, insbesondere mit entsprechen den Federwerken
als Aktuatoren zusätzlich oder alternativ zu Piezoaktuatoren
einzusetzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1–2:
zwei anfängliche Verfahrensschritte zur Herstellung einer
Mikropumpe ausgehend von einem Siliziumwafer als erster Trägerschicht,
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3 einen
alternativen Startpunkt für ein Herstellungsverfahren zur
Herstellung einer Mikropumpe, ausgehend von einem SOI-Wafer,
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4–12 wichtige
Herstellungsschritte zur Herstellung einer Mikropumpe, wobei bei
den gezeigten Verfahrenschritten die erste Trägerschicht
als Siliziumwafer ausgebildet ist,
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13–15 wesentliche
Verfahrensschritte bei der Herstellung einer Mikropumpe, wobei hier
die erste Trägerschicht Teil des SOI-Wafers ist, wobei
der Verfahrensschritt gemäß 13 dem
Verfahrensschritt gemäß 9, der Verfahrenschritt
gemäß 14 dem
Verfahrensschritt gemäß 11 und
der Verfahrensschritt gemäß 15 dem
Verfahrensschritt gemäß 12 entspricht,
und
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16 eine
perspektivische Darstellung einer noch nicht fertigen Mikropumpe
bei deren Herstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 startet
die Herstellung einer Mikropumpe ausgehend von einem Siliziumwafer
als erster Trägerschicht 1, die auf ihrer Vorderseite
V mit einem (thermischen) Oxid als untere Stoppschicht 2 versehen
wird, in welcher an geeigneter Stelle Kontaktlöcher 3 für
eine elektrische Kontaktierung vom Basisträgerschichtmaterial
Silizium zu nachfolgend aufgebrachten Siliziumschichten angelegt
werden. Die elektrischen Kontakte sind vorteilhaft für
einen späteren, sogenannten anodischen Bondprozess, bei
dem ein Stromfluss für das Eingehen einer hochfesten Verbindung
zu einer, beispielsweise in 10 gezeigten,
zweiten Trägerschicht 4 (hier: Glassubstrat) erforderlich
wird.
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2 zeigt
ein weiteres Zwischenstadium der Mikropumpe, bei deren Herstellung,
wobei auf die Vorderseite der unteren Stoppschicht 2 eine
als EpiPoly-Siliziumschicht ausgebildete Basisschicht 5 aufgebracht
wurde. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die
Dicke der Basisschicht 5 11 μm. Die Basisschicht 5 kann
optional, beispielsweise durch einen CMP-Schritt planarisiert werden.
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3 zeigt
einen alternativen Startpunkt für den Herstellungsprozess,
wobei von einem sogenannten SOI-Wafer 6 als Ausgangsmaterial
gestartet wird. Die Schritte der Folien 1 und 2 können
dann entfallen, da bereits ein höherwertiges Halbzeug als Ausgangsmaterial
verwendet wird. Nachteilig ist in diesem Fall jedoch, dass keine
elektrisch leitendfähige Verbindung von der unteren, ersten
Trägerschicht 1 zur oberen, auf der Vorderseite
V der ersten Trägerschicht 1 angeordneten, Basisschicht 5 des
SOI-Wafers 6 über Kontaktlöcher zur Verfügung
steht. Für eine spätere anodische Bondung müssen
geeignete Kontaktmittel über den Waferrand bereitgestellt
werden, z. B. Klammern oder Federkontakte, die beispielsweise die
obere Basisschicht 5 des SOI-Wafers 6 vom Rand
her elektrisch kontaktieren.
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4 zeigt
die Fortsetzung des Herstellungsprozesses, und zwar unabhängig
davon, ob die Variante gemäß den 1 und 2 oder
die Variante gemäß 3 verfolgt
wird. Illustriert ist im Folgenden anhand der 4 bis 12 die
Variante gemäß den 1 und 2,
bei der von einem Siliziumwafer als Startpunkt (erste Trägerschicht 1)
ausgegangen wird – die "SOI-Wafer"-Variante lässt
sich daraus unschwer ableiten.
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Auf
der Vorderseite der Basisschicht 5 wird ein dickes Oxid
als obere Stoppschicht 7 abgeschieden und so strukturiert,
dass auf ausgewählten Flächen die als Opferschicht
dienende Stoppschicht 7 stehen bleibt. Diese ausgewählten
Flächen sind in späteren Fertigungsschritten allesamt
Bereiche, in denen ein Silizium-Plasmaätzprozess gestoppt
werden muss und/oder eine freitragende bewegliche Struktur entstehen
soll. Wesentlich ist, dass unmittelbar oberhalb der Kontaktlöcher 3 eine
Stoppschicht 7 vorgesehen ist.
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Die
Dicke der oberen Stoppschicht 7 beträgt in dem
gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 4 bis 5 μm.
In der Variante "SOI-Wafer" kann beispielsweise ein thermisches
Oxid bis zu einer Dicke von 2,5 μm aufgewachsen und darüber
noch ein 1,8 μm dickes Oxid abgeschieden werden, etwa in
der Form von TEOS oder Plasmaoxid, was in Summe eine Stoppschichtdicke
von maximal ca. 4,3 μm ergibt. In der Variante, bei der
von einem Siliziumwafer als erste Trägerschicht ausgegangen
wird ist eine thermische Oxidation nicht zu empfehlen, da hierdurch
nicht tolerierbare Stressgradienten in das Basisschichtmaterial
(Epipoly-Silizium) eingetragen würden, die die weitere
Verwendung als mechanisches Schichtmaterial unmöglich machen
würden. Für den letztgenannten Fall erfolgt die
Abscheidung der vollen Stoppschichtdicke (Oxiddicke) bevorzugt als
TEOS oder Plasmaoxid bei relativ niedrigen Temperaturen von z. B. 300°C
bis 450°C.
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In 5 ist
ein Herstellungsschritt gezeigt, bei dem auf die Vorderseite der
Basisschicht 5 sowie auf die Vorderseite der Stoppschicht 7 eine
Funktionsschicht 8 mit einer Dicke von etwa 15 bis 24 μm abgeschieden
wurde. Die Funktionsschicht 8 besteht in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel aus einer EpiPoly-Siliziumschicht.
Da auf der Vorderseite (Schichtoberfläche) der Funktionsschicht 8 später anodisch
gebondet werden muss, ist eine Planarisierung der Oberfläche,
beispielsweise durch ein CMP-Verfahren an dieser Stelle unbedingt
zu empfehlen, und zwar unabhängig davon, ob bereits vorangehend
die Basisschicht 5 planarisiert oder für die Basisschicht
eine SOI-Waferschicht verwendet wurde. Der Planarisierschritt muss
die Topographie der Oberfläche einebnen und die Flächen
für eine Bondung mikroskopisch "glätten".
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In 6 ist
der Waferstack nach dem Aufbringen und Strukturierung einer Antibond-Schicht 9, die
auf den späteren Ventil-Dichtflächen verbleiben muss,
gezeigt. Die Antibond-Schicht 9 kann beispielsweise aus
Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Graphit bestehen. Außerdem
sind Ausnehmungen 10, 11 rund um die Antibond-Schicht-Flächenbereiche 9 mit
einer Tiefe von etwa 2 bis 5 μm eingeätzt worden.
Diese Ausnehmungen 10, 11 sollen später nicht
mit der zu bondenden zweiten Trägerschicht 4 in
Kontakt kommen, um eine Beweglichkeit von herzustellenden mikrofluidischen
Funktionselementen, hier eines Einlassventilstempels 14 und
eines Auslassventilstempels 17 zu garantieren.
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In 7 ist
die Funktionsschicht 8 unter anderem in dem Bereich unterhalb
der Ausnehmungen 10, 11 strukturiert worden. Anders
ausgedrückt werden durch die mikrofluidischen Funktionselemente 12 geschaffen,
nämlich ein Einlassventil 13 mit einem Einlassventilstempel 14,
auf dessen Vorderseite sich die Antibond-Schicht 9 als
Ventildichtfläche befindet. Ferner wurde eine Pumpkammer 15 sowie
ein Auslassventil 16 mit einem Auslassventilstempel 17 geschaffen,
wobei auf der Vorderseite des Auslassventilstempels 16 sich
ebenfalls eine Antibond-Schicht 9 als Dichtfläche
befindet. Die Funktionselemente 12 sind bei dem Verfahrenschritt
gemäß 7 noch nicht fertig gestellt.
Hierzu ist es noch notwendig, wie sich aus 8 ergibt,
die obere Stoppschicht 7 (Opferschicht) selektiv zu entfernen.
Dies kann durch flüssige oder dampfförmige Flusssäure
in an sich bekannter Weise durchgeführt werden. Nach dieser Ätzung
ist das Einlassventil 13 bzw. der Einlassventilstempel 14 frei
beweglich und kann insbesondere in Z-Richtung ausgelenkt werden.
Der Abstand des Einlassventilstempels 14 zur Basisschicht 5 entspricht der
Dicke des zuvor entfernten Oxids (obere Stoppschicht 7 (Opferschicht))
von 4 bis 5 μm.
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Erwähnenswert
ist an dieser Stelle die Ausbildung des Einlassventils 13.
Dieses umfasst bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 eine
Spiralfeder 18, die in einer Draufsicht unterhalb des Waferstacks
in 7 gezeigt ist. Die Spiralfeder 18 trägt endseitig
den Einlassventilstempel 14, wodurch eine weiche Lagerung
des Einlassventilstempels 14 in Z-Richtung gegeben ist
und sich Materialstress relaxieren kann.
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Eine
alternative Ausführungsform des Einlassventils 14 ergibt
sich aus der perspektivischen Darstellung gemäß 16.
Zu erkennen sind drei ineinander geschachtelte Spiralfedern 18,
die allesamt einenends mit dem Einlassventilstempel 14 verbunden
sind und zwar an in Umfangsrichtung gleichmäßig
verteilt angeordneten Stellen. Der zentrale Einlassventilstempel 14 wird
völlig symmetrisch von den Spiralfedern 18 gehalten
und jegliche Eigenspannung der Spiralfedern wird durch eine minimale
Verdrehung des Einlassventilstempels 14 vollständig
abgebaut. Durch die relativ großen Federlängen
wird eine weiche Aufhängung des zentralen Einlassventilstempels
in Z-Richtung realisiert, wobei die Federhöhe nahezu der
gesamten Opferschichthöhe entspricht. Weiterhin ergibt
sich aus 16 der Aufbau und die Anordnung
des Auslassventils 16 mit seinem zentrischen Ventilstempel 17.
Aus 16 ist zu erkennen, dass sowohl eine Einlassventilkammer
als auch eine Auslassventilkammer sowie die Pumpkammer 15 kreisrund
konturiert sind und über große Öffnungsquerschnitte
miteinander verbunden sind.
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Wie
zuvor erwähnt, ist in 8 ein Zwischenschritt
der Herstellung der Mikropumpe gezeigt, bei dem die (obere) Stoppschicht 7 (Opferschicht)
selektiv entfernt wurde. Erst hierdurch wird das Einlassventil 13 frei.
Zuvor saß der Einlassventilstempel 14 noch fest
auf dem dicken, die Stoppschicht 7 (Opferschicht) bildenden
Oxid, das auch den Ätzstopp für den Plasmaätzprozess
zur Strukturierung der Funktionsschicht 8 gebildet hat.
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Insbesondere
aus den 6 bis 8 wird deutlich,
dass die Herstellung der Funktionselemente 12 ausschließlich
durch Vorderseitenstrukturierung, also durch Strukturierung in eine
Richtung auf die Vorderseite V der ersten Trägerschicht
zu erfolgt ist. Die Trägerschicht 1 wurde dabei
nicht in Mitleidenschaft gezogen, etwa weil durch sie hindurch strukturiert
worden wäre.
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9 illustriert
einen anodischen Bondprozess: Die vorstrukturierte zweite Trägerschicht 4,
hier ein Borosilikatglaswafer (beispielsweise ein Pyrexglaswafer)
weist an entsprechenden Stellen Bohrungen als Fluidkanäle 19, 20 auf.
Dabei bildet der in der Zeichnung linke Fluidkanal 19 einen
Einlasskanal zum Zuführen von Wirkstoff (Insulin) und der
Fluidkanal 20, der sich in der Zeichnungsebene rechts befindet,
einen Auslasskanal zum Auslassen eines "Stroke"-Volumens. Bevorzugt
wird der Fluidkanal 19 mit einem Vorratstank oder Vorratsbeutel
mit Insulin verbunden und der Fluidkanal 20 an eine Injektionsnadel oder
besonders bevorzugt ein Mikronadelarray, beispielsweise aus porösem
Silizium, etc. angeschlossen. Die Umfangsränder der unteren
Enden der Fluidkanäle 19, 20 bilden die
Ventilsitze für den Einlassventilstempel 14 bzw.
den Auslassventilstempel 17. Die Antibond-Schicht-Flächenabschnitte
bilden die Dichtflächen des Einlassventils 13 des
Auslassventils 16. Zusätzlich oder alternativ
zu der Antibond-Schicht 9 können nicht gezeigte
Antibond-Flächen als Sitzflächen auf der Rückseite
der zweiten Trägerschicht 4 vorgesehen werden.
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Für
den anodischen Bondprozess muss die Funktionsschicht 8 mit
einer elektrischen Spannungsquelle kontaktiert und positiv gegenüber
der justiert aufgelegten zweiten Trägerschicht 4 gepolt werden.
In der gezeigten Variante, ausgehend von einem Siliziumwafer als
erster Trägerschicht 1, ist diese Kontaktierung
problemlos über die erste Trägerschicht 1 aufgrund
der Kontaktlöcher 3 in der unteren Stoppschicht 2 möglich.
Dabei kommen in an sich bekannter Weise Spannungen von einigen 100
V bis einigen 1000 V zum Einsatz, je nach Dicke der zweiten Trägerschicht 4.
Durch die anodische Polung der Vorderseite bzw. der Siliziumoberfläche
der Opferschicht 8 gegen die zweite Trägerschicht 4 wird
eine hochfeste, hochgenaue und irreversible Verbindung der Kontaktflächen
zueinander erreicht, ohne dass es hierzu eines Klebstoffs bedürfte.
Letzteres ist entscheidend im Zusammenhang mit der eingeschränkten
Stabilität und Bioaktivität von Insulin, das durch viele
Materialien, wie viele Kunststoffe oder Klebstoffe in seiner Wirksamkeit
beeinträchtigt würde. Bei der gezeigten Mikropumpe
kommt das Insulin innerhalb der Mikropumpe lediglich mit Silizium,
Borosilikatglas und der Antibond-Schicht in Kontakt – alle
diese Stoffe sind gut Insulin-verträglich.
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10 zeigt
den gebondeten Waferaufbau nach der Durchführung des anodischen
Bandprozesses.
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In
11 ist
die erste Trägerschicht
1 entfernt worden. Das
Rückdünnen der ersten Trägerschicht
1 kann
durch Rückschleifen, Plasmaätzen oder durch eine
Kombination aus Rückschleifen und Plasmaätzen
geschehen. Alternativ kann auch nass geätzt werden, etwa
in heißer Kalilauge unter Verwendung einer Ätzmaske
als Vorderseitenschutz. Die Entfernung der kompletten ersten Trägerschicht
1 durch
Plasmaätzen ist besonders schonend, da hier keine mechanische
Einwirkung stattfindet. Da es hierzu an sich nicht erforderlich
ist, anisotrop zu ätzen, kann beispielsweise mit einem
isotropen SF
6-Prozess mit vorteilhaft höheren
Abtragraten von 50 bis 100 μm/min oder mehr geätzt
werden, sodass das Entfernen der ersten Trägerschicht
1 nur
wenige Minuten dauert. Da über die Kontaktlöcher
3 ein Ätzangriff
auf die darüberliegende Basisschicht (hier Silizium) bis
zur (zweiten) Stoppschicht
7 erfolgt, ist es vorteilhaft,
in der Endphase des Prozesses von rein isotropen Plasmaätzen
auf ein zumindest teilweise anisotropes Plasmaätzen umzuschalten.
Der Vorteil der Anisotropie ist in dem Fall, dass die Kontaktlöcher
3 überätzt
werden dürfen etwa zum Ausgleich von Ätzinhomogenitäten
oder Waferdickenschwankungen über die Waferfläche,
ohne dass die Einätzungen in die Basisschicht in den Kontaktlochbereichen
lateral immer größer werde. Der Nachteil ist die geringere Ätzgeschwindigkeit
bei anisotropem Ätzen. Das Umschalten von einem rein isotropen Ätzprozess
zu einem zumindest teilweise anisotropen Plasmaätzprozess
kann dadurch realisiert werden, dass entsprechend der Lehre der
DE 42 410 45 A1 der
isotrope SF
6-Ätzschritt gegen Ende
"des Rückätzens alternierend mit sogenannten Passivierschritten
mit beispielsweise C
4F
8 oder
C
3F
6 als Passiviergas durchgeführt
wird. Das Erkennen dieses Übergangs kann beispielsweise
mittels einer optischen Endpunkterkennung über "Optical
Emissions Spectroscopy" – sogenanntes OES – erfolgen,
in dem das Erreichen der unteren (ersten) Stoppschicht
2 an
irgendeiner Stelle erkannt und dann für das Weiterätzen
bzw. weitere Überätzen die Passivierschritte eingefügt
werden, um die bereits in Ät zung begriffenen Kontaktlöcher
3 während
des Überätzens lateral nicht übermäßig
auszudehnen. In vertikaler Richtung ist der dicke Oxidbereich, der
dem Kontaktloch
3 gegenüberliegt, jeweils ätzbegrenzend.
Mit dieser Vorgehensweise können Inhomogenitäten
des Ätzprozesses selbst bzw. Waferdickenschwankungen durch Überätzen
ungestraft ausgeglichen werden. Das OES-Endpunkterkennungssystem
zeigt auch an, wenn die erste Trägerschicht, also sämtliches
Silizium, von der unteren Stoppschicht
2 entfernt wurde und
der Prozess an seinem Ende angelangt ist.
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12 zeigt
das Entfernen der noch verbliebenen Stoppschichten 2, 7:
zum einen der flächigen unteren Stoppschicht 2,
zum anderen der oberen Stoppschicht 7 (Opferschicht) (Ätzstoppbereich über den
offenen Kontaktlöchern 3). Das Entfernen kann wiederum
durch flüssig oder dampfförmige Flusssäure
erfolgen. Da insbesondere Oxidschichten starke Druckspannungen in
den mechanischen Aufbau eintragen, ist es vorteilhaft, am Prozessende
alle Oxidschichten zu entfernen.
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Ferner
ist auf 12 eine mögliche Anordnung
eines ersten Aktuators A1, eines zweiten Aktuators A2 und eines
dritten Aktuators A3 gezeigt. Dabei ist der erste Aktuator A1 unmittelbar
dem Einlassventil 13, der zweite Aktuator A2 unmittelbar
der Pumpkammer 15 und der dritte Aktuator A3 unmittelbar
dem Auslassventil 16 zugeordnet. Zu erkennen ist, dass
sämtliche Aktuatoren A1 bis A3 unmittelbar auf die Basisschicht 5 einwirken,
die die Mikropumpe auf der von der zweiten Trägerschicht 4 abgewandten
Seite begrenzt. Bezüglich der Funktionsweise und einer
möglichen Ansteuerung der Aktuatoren A1 bis A3 wird auf
den allgemeinen Beschreibungsteil verwiesen. Insbesondere wird darauf
hingewiesen, dass bei Bedarf beispielsweise auf den zweiten Aktuator
A2 verzichtet werden kann (vergleiche allgemeiner Beschreibungsteil).
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13 illustriert
den Bondprozess für den Fall der "SOI"-Wafer" Variante.
Bis auf die Schwierigkeit, die obere SOI-Schicht (Basisschicht 5) über Kontaktfedern,
etc. von der Seite, oder über den Waferrand elektrisch
zu kontaktieren, weil keine Kontaktlöcher zur unteren,
ersten Trägerschicht 1 vorhanden sind, entspricht
der Aufbau und die Vorgehensweise genau dem Pendant von 9.
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14 zeigt
den gebondeten Waferstack nach dem Entfernen der ersten Trägerschicht 1.
Da es beim SOI-Aufbau keine Kontaktlöcher in der unteren
Stoppschicht 2 gibt ist das Entfernen der ersten Trägerschicht 1 durch
ein Rückätzen in Plasma besonders problemlos und
einfach möglich. Es ist vorteilhaft, die isotrope Silizium-Ätzung
mit SF6-Plasma mit einem Endpunkterkennungssystem
(OES) zu kontrollieren. Dieses zeigt an, wenn kein Silizium mehr
geätzt wird und wenn überall auf der unteren Stoppschicht 2 angelangt
ist, wobei die untere Stoppschicht 2 dem Ätzstopp
für diesen Ätzprozess darstellt. Dabei kann auch
zur Sicherheit ein Überätzen vorgesehen werden,
um tatsächlich sämtliches Silizium restlos von
der unteren Stoppschicht 2 zu entfernen und anfällige
Inhomogenitäten auszugleichen. Da der vollständige
Prozess isotrop durchgeführt werden kann, sind Abtragungsraten
extrem hoch (typischerweise 100 μm/min oder mehr) und die
Prozesszeit sehr kurz (nur wenige Minuten). Alternativ kann auch
nass geätzt werden, z. B. in heißer Kalilauge
unter Verwendung einer Ätzmaske als Vorderseitenschutz.
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15 zeigt
den Zustand des Waferstags nachdem Entfernen der unteren Stoppschicht 2 durch
flüssige oder dampfförmige HF. Auch in diesem Fall
empfiehlt es sich, sämtliches Oxid zu entfernen, um unerwünschte
Druckspannungen aus dem mechanischen Aufbau herauszunehmen. Die
Funktion der gezeigten Aktuatoren A1 bis A3 wird im allgemeinen
Beschreibungsteil erläutert.
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Zusammenfassend
wird in den Figuren ein Herstellungsprozess vorgeschlagen, der in
beiden gezeigten Varianten (Siliziumwafer/SOI-Wafer) ausschließlich
aus Standardprozessschritten der Mikrosystemtechnik bzw. der Halbleitertechnik
basiert. Zu keinem Zeitpunkt des Prozesses treten fragile Waferzustände
oder Waferzwischenzustände auf, in denen der Wafer bzw.
der Waferaufbau durch Folien oder ähnliche aufwändige
Sondermaßnahmen stabilisiert werden müsste. In
allen Prozessstadien hat man es vielmehr mit robusten Aufbauten
zu tun, die ohne Besonderheiten gehandhabt und prozessiert werden können.
Alle Kanäle, durch die im Betrieb der Mikropumpe Flüssigkeiten
strömen sollen, haben vergleichsweise große Kanalhöhen
von beispielsweise 15 bis 24 μm und in Folge dessen geringe
Strömungswiderstände und geringe "Totvolumina".
Dies alles wird mit einem vergleichsweise einfachen und besonders
kostengünstigen Prozess realisiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1651867
B1 [0005]
- - DE 4241045 A1 [0064]