DE102008003792A1 - Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe sowie Mikropumpe - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe sowie Mikropumpe Download PDF

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Franz Laermer
Julia Cassemeyer
Ralf Reichenbach
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe, vorzugsweise zum dosierten Fördern von Insulin, wobei auf der Vorderseite (V) einer eine Vorderseite (V) und eine Rückseite (R) aufweisenden ersten Trägerschicht (1) mehrere Schichten angeordnet und mikrofluidische Funktionselemente (12) durch Strukturieren mindestens einer der Schichten gebildet werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Strukturierung der mindestens einen Schicht zum Herstellen sämtlicher mikrofluidischer Funktionselemente (12) ausschließlich durch Vorderseitenstrukturierung erfolgt. Ferner betrifft die Erfindung eine Mikropumpe.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Mikropumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Mikropumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • 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.
  • Technische Lösung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • Die Mikropumpe arbeitet im Falle des Vorsehens von drei Aktuatoren wie folgt:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
  • 12: zwei anfängliche Verfahrensschritte zur Herstellung einer Mikropumpe ausgehend von einem Siliziumwafer als erster Trägerschicht,
  • 3 einen alternativen Startpunkt für ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Mikropumpe, ausgehend von einem SOI-Wafer,
  • 412 wichtige Herstellungsschritte zur Herstellung einer Mikropumpe, wobei bei den gezeigten Verfahrenschritten die erste Trägerschicht als Siliziumwafer ausgebildet ist,
  • 1315 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
  • 16 eine perspektivische Darstellung einer noch nicht fertigen Mikropumpe bei deren Herstellung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 10 zeigt den gebondeten Waferaufbau nach der Durchführung des anodischen Bandprozesses.
  • 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 SF6-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 SF6-Ätzschritt gegen Ende "des Rückätzens alternierend mit sogenannten Passivierschritten mit beispielsweise C4F8 oder C3F6 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1651867 B1 [0005]
    • - DE 4241045 A1 [0064]

Claims (23)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe, vorzugsweise zum dosierten Fördern von Insulin, wobei auf der Vorderseite (V) einer eine Vorderseite und eine Rückseite aufweisenden ersten Trägerschicht (1) mehrere Schichten angeordnet und mikrofluidische Funktionselemente (12) durch Strukturieren mindestens einer der Schichten gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der mindestens einen Schicht zum Herstellen sämtlicher mikrofluidischen Funktionselemente (12) ausschließlich durch Vorderseitenstrukturierung erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Trägerschicht (4), insbesondere ein Borosilikatglaswafer, mit Abstand zu der ersten Trägerschicht (1), vorzugsweise auf der Vorderseite der am weitesten von der ersten Trägerschicht (1) entfernten Schicht angeordnet, vorzugsweise anodisch gebondet, wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trägerschicht (4) vor oder nach dem Anordnen mit mindestens einem Fluidkanal (19, 20), vorzugsweise mit einem Zulaufkanal und einem Ablaufkanal, versehen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trägerschicht (1) nach dem Anordnen der zweiten Trägerschicht (4), insbesondere durch isotropes Ätzen und/oder durch Rückschleifen und/oder durch Nassätzen, entfernt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trägerschicht (1) während der Vorderseitenstrukturierung unstrukturiert bleibt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Trägerschicht (1) eine Siliziumschicht, insbesondere ein Siliziumwafer, verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht (1) eine, vorzugsweise Siliziumoxid enthaltende, Stoppschicht (2), insbesondere eine thermische Oxidschicht, angeordnet wird oder dass die Trägerschicht (1, 4) Bestandteil eines SOI-Waferaufbaus (6) mit einer integralen Stoppschicht (2) ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoppschicht (2) mit mindestens einem Kontaktloch (3) zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Trägerschicht (1) und auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht (1) angeordneten Schichten versehen wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Vorderseite der Stoppschicht (2) eine, insbesondere Silizium, enthaltende Basisschicht (5) angeordnet wird, oder dass die Basisschicht (5) integraler Bestandteil des SOI-Wafers (6) ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Vorderseite (V) der Basisschicht (5) eine, insbesondere Siliziumoxid enthaltende, insbesondere als Opferschicht ausgebildete bzw. dienende, Stoppschicht (7) angeordnet und strukturiert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Vorderseite der auf der Basisschicht (5) angeordneten Stoppschicht (7) und auf der Vorderseite der Basisschicht (5) eine, insbesondere als EpiPoly-Siliziumschicht ausgebildete, Funktionsschicht (8) angeordnet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in die Funktionsschicht (8) mindestens eine Vertiefung in einem Bereich eingebracht wird, der mit der, bevorzugt auf der Vorderseite der Funktionsschicht (8) anzuordnenden, zweiten Trägerschicht (4) nicht in Kontakt kommen sollen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Vorderseite der Funktionsschicht (8) mindestens eine Antibond-Schicht (9) als Ventildichtfläche und/oder auf die Rückseite der zweiten Trägerschicht (4) mindestens eine Antibond-Schicht (9) als Ventilsitzfläche angeordnet werden/wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch Strukturieren der Funktionsschicht (8), vorzugsweise durch Trench-Ätzen, eine Einlassventilstruktur und/oder eine Pumpkammerstruktur und/oder eine Auslassventilstruktur eingebracht wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventilstruktur und/oder die Auslassventilstruktur mit mindestens einem Spiralfederabschnitt, vorzugsweise mit mehreren verschachtelten Spiralfederabschnitten, erzeugt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere als Opferschicht ausgebildete, Stoppschicht (7) auf der Vorderseite der Basisschicht (5), zumindest teilweise, insbesondere mit flüssiger und/oder dampfförmiger Flusssäure, entfernt wird.
  17. Mikropumpe, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, vorzugsweise zum dosierten Fördern von Insulin, mit mehreren Funktionselementen (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente (12) ausschließlich durch Strukturierung aus einer Richtung hergestellt sind.
  18. Mikropumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropumpe eine Trägerschicht (1, 4), insbesondere eine Borosilikatglasschicht, aufweist, in der mindestens ein Fluidkanal (19, 20), insbesondere ein Einlasskanal und/oder ein Auslasskanal, eingebracht ist und die vorzugsweise die Pumpkammer (15) unmittelbar begrenzt.
  19. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (13) der Mikropumpe mindestens eine einen Ventilstempel (14, 17) tragenden Spiralfeder (18), vorzugsweise mehrere ineinander verschachtelte Spiralfedern (18), aufweist.
  20. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (13) und/oder das Auslassventil (16) der Mikropumpe mittels mindestens eines Aktuators (A1–A3) aktiv abdichtbar ist.
  21. Mikropumpe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventildichtfläche des Einlassventils (13) und/oder eine Ventildichtfläche des Auslassventils (16) mittels eines Aktuators (A1–A3) gegen die Trägerschicht (1, 4) pressbar ist.
  22. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einlassventil (13), dem Auslassventil (16) und der Pumpkammer (15) jeweils mindestens ein Aktuator (A1–A3), vorzugsweise jeweils ein Piezoaktuator, unmittelbar zugeordnet sind.
  23. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass nur dem Einlassventil (13) und dem Auslassventil (16) jeweils mindestens ein Aktuator (A1, A3) unmittelbar zugeordnet sind, und dass der Pumpvorgang durch eine Ansteuerung mindestens eines dieser Aktuatoren (A1, A3) steuerbar ist,
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