DE102016201718A1

DE102016201718A1 - Pumpe mit polygonförmigem Piezo-Membranwandler

Info

Publication number: DE102016201718A1
Application number: DE102016201718.7A
Authority: DE
Inventors: Yücel Congar; Waltraud HELL; Martin Wackerle; Klaus Heinrich; Martin Richter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2036-02-05
Also published as: CN107035667A; US11131299B2; US20170226994A1; DE102016201718B4; JP6797703B2; CN107035667B; JP2019132278A; JP2017141824A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pumpe mit einem an einem Pumpenkörper (120, 170) der Pumpe angeordneten Piezo-Membranwandler sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Pumpe (100, 200, 400, 500), bei der ein Piezo-Membranwandler (101) an einem Pumpenkörper (120, 170) angebracht ist, wobei das Verfahren unter anderem ein Bereitstellen einer Piezokeramikschicht (51) beinhaltet. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Piezo-Element (53, 83, 210) aus der Piezokeramikschicht (51) vereinzelt, sodass das mindestens eine Piezo-Element (53, 83, 210) eine regelmäßige polygonale Form mit mindestens sechs Ecken aufweist. Ferner beinhaltet das Verfahren das Bilden des Piezo-Membranwandlers (101) durch Anbringen des Piezo-Elements (53, 83, 210) an einer Pumpenmembran (110).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Pumpe, bei der ein Piezo-Membranwandler an einem Pumpenkörper angebracht ist, wobei das Verfahren die Merkmale von Anspruch 1 aufweist, sowie eine derartige Pumpe mit den Merkmalen von Anspruch 11.
Pumpen, und insbesondere sogenannte Mikropumpen, können aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden, z. B. Silizium, Metall oder Kunststoff. Silizium- und (teilweise) Metall-Mikropumpen haben hier ein großes Miniaturisierungspotential, insbesondere da durch genaue Herstellungsmethoden Pumpkammern mit geringem Totvolumen erzeugt werden können, so dass trotz kleinem Hubvolumen immer noch genügend große Kompressionsverhältnisse realisierbar sind.
Am verbreitetsten sind hierbei Piezo-Membranwandler als Antriebselement. Diese werden bevorzugt mit einer speziellen Methode vorgespannt, indem beim Aushärten des Klebstoffes eine Hochspannung angelegt wird. Ein solches Verfahren ist aus der WO 2011/107162 A1 bekannt. Die Chipgröße des hierbei prozessierten Pumpenchips beträgt 7 × 7 mm². Die Mikropumpe weist eine quadratische Pumpkammer auf. Über dieser quadratischen Pumpkammer ist eine Pumpenmembran mit einem ebenfalls quadratischen Piezo-Element angeordnet. Die Pumpenmembran mit dem quadratischen Piezo-Element wird entlang des Chiprands an den darunterliegenden Pumpenkörper gebondet. Dabei beträgt das zum Bonden notwendige Mindestmaß des Chiprands 300 μm oder mehr.
Eine Miniaturisierung von Pumpen ist generell aus folgenden Gründen vorteilhaft anzustreben:

• Kleinere Pumpenchips benötigen weniger Bauraum (wobei 7 × 7 mm² bei vielen Anwendungen bereits klein genug ist)
• Kleinere Membranabmessungen bedeuten kleinere Hubvolumina, wodurch kleinere Volumenportionen gefördert werden können.
• Ein wichtiger Punkt bei der Verkleinerung ist die Reduktion der Herstellungskosten, da Mikropumpen im Waferverbund hergestellt werden und aufgrund der Miniaturisierung mehr Chips auf den Wafer passen.

Die kleinen Hubvolumina sind auf der anderen Seite auch teilweise nachteilig, da kleine Hubvolumina zu kleinen Kompressionsverhältnissen führen, und die Pumpen bei zu geringem Kompressionsverhältnis weder blasentolerant noch selbstansaugend und damit nicht praxistauglich würden.
Bei der Miniaturisierung des Pumpenchips gibt es nun die Schwierigkeit, dass das Hubvolumen des Membran-Biegewandlers in etwa von der vierten Potenz der Seitenabmessung der Membran abhängt. Wird die Membranseitenlänge der Antriebsmembran halbiert, so verringert sich (wenn alle sonstigen Geometrie- und Ansteuerparameter gleich bleiben) das Hubvolumen um den Faktor 16.
Durch geeignete Anpassung der Geometrie- und Ansteuerparameter kann dieser Faktor etwas verringert werden. Insbesondere können bei Verkleinerung der Membranseitenlänge auch die Membrandicke und insbesondere auch die Dicke der Piezokeramik verkleinert werden. Jedoch verringert sich das Hubvolumen stärker, als es gelingt, das Totvolumen zu verringern. Das Totvolumen kann meist nicht um den gleichen Faktor reduziert werden.
Dieses Dilemma wird weiter verschärft durch den Umstand, dass die Membranfläche nicht die gesamte Chipfläche einnehmen kann. Es ist ein Chiprand nötig, um den Antriebswafer mit der Pumpkammer auf den Ventilwafer zu bonden. Dieser mindestens notwendige Chiprand ist unabhängig von der Chipgröße. Bei bekannten Mikropumpen mit einer Abmessung von 7 × 7 mm² beispielsweise beträgt der Chiprand derzeit ca. 300 μm, d. h. 0,6 mm der 7 mm am Rand des Chips werden für die Anbringung des Rahmens benötigt.
Würde die Mikropumpe auf ein Chipmaß von 3,5 × 3,5 mm² reduziert werden, dann würden nur noch 6/35 der Chiplänge für die Membran zur Verfügung stehen, da für den Rand weiterhin 300 μm (links und rechts je 300 μm, also 600 μm) benötigt würden.
Ein weiterer Umstand, der bei der Verkleinerung des Chips eine Rolle spielt, ist die Form des Membran-Biegewandlers. Beispielsweise benötigen Mikropumpen mit einem Piezo-Membranwandler, selbst wenn diese nach dem aus der oben erwähnten WO 2011/107162 A1 bekannten Verfahren vorgespannt sind, unter der Membran eine Pumpkammer, die eine Pumpkammerhöhe h hat. Diese Pumpkammerhöhe ist ein kritischer Designparameter und trägt entscheidend zum Totvolumen der Mikropumpe, aber auch zur maximalen Förderrate der Mikropumpe bei.
Runde, rotationssymmetrische Biegewandler haben gegenüber Biegewandlern mit quadratischer Form zwei Vorteile:

• Ein runder Piezo-Membranwandler hat bei der Auslenkung gegenüber des quadratischen Piezo-Membranwandlers ein deutlich geringeres Totvolumen bei in etwa gleich großem Hubvolumen, da das Pumpkammervolumen unter den Ecken des quadratischen Membranwandlers nicht genutzt wird. Die Eckenbereiche des quadratischen Membranwandlers tragen umgekehrt fast nichts zum Hubvolumen bei.
• Ein Mikropumpenchip mit rundem Membranwandler und runder Pumpkammer hat nicht nur ein deutlich geringeres Totvolumen, sondern auch an den Ecken des Pumpenchips eine wesentlich größere Bondfläche. Dadurch kann der minimale Abstand des runden Pumpkammerrandes zum Chiprand deutlich verringert werden, da immer noch genügend Bondfläche zur Verfügung steht. Dadurch kann beim runden Membranwandler deutlich mehr Chipfläche für die Antriebsmembran genutzt werden.

Aus dem Gesagten geht hervor, dass bei der Verkleinerung des Pumpenchips ein runder Piezo-Membranwandler vorteilhafter zu sein scheint als ein quadratischer Piezo-Membranwandler.
Es ist bekannt, Piezokeramiken durch eine der folgenden beiden Methoden herzustellen:

a) Blockmethode: hier werden Piezokeramiken in Stangen hergestellt, die nach dem Sintern in Scheiben gesägt, metallisiert und anschließend polarisiert werden
b) Folienmethode: Piezokeramiken werden hier in Folien gezogen, gesintert, polarisiert und anschließend durch Sägen vereinzelt.

Mit der Blockmethode können sowohl runde als auch quadratische (oder auch rechteckige, dreieckige, etc.) Piezokeramiken realisiert werden, je nachdem welche Querschnittsform die Stangen haben, aus denen die Scheiben gesägt werden. Allerdings gibt es bei der Dicke der Piezokeramiken eine untere Grenze (diese liegt gegenwärtig je nach Piezohersteller bei ca. 150 μm), unterhalb derer Piezokeramiken nicht mehr wirtschaftlich von der Stange gesägt werden können. Für Mikropumpenchips, die kleiner sind als 7 × 7 mm², werden aber fast immer Keramikdicken benötigt, die kleiner sind als 150 μm. Außerdem ist diese Methode durch das einzelne Handhaben der Keramiken teurer als die Folienmethode. Weiterhin müssen die gesägten Piezokeramiken nach dem Sägen einzeln auf der Vorder- und Rückseite metallisiert werden.
Piezokeramiken unter 150 μm Dicke werden daher vorteilhafter Weise mit der Folienmethode hergestellt, wobei Foliendicken unter 50 μm Dicke herstellbar sind. Diese Keramikfolien werden nach dem Sintern auf der Vorder- und Rückseite metallisiert, und danach erst vereinzelt, was deutlich wirtschaftlicher ist. Aus einer Keramikfolie (Abmessung z. B. 60 × 60 mm²) der Dicke 50 μm können dann durch einen Standard Sägeprozess 400 quadratische, metallisierte Piezokeramiken der Größe 3 × 3 mm² gesägt werden.
Für Mikropumpen mit einer Chipgröße von 3,5 × 3,5 mm², die Piezokeramiken mit einem Durchmesser von ca. 3 × 3 mm² in der Dicke 50 μm benötigen, können diese mit der Folienmethode hergestellten Keramiken durch Sägen sehr wirtschaftlich hergestellt werden.
Allerdings können bei einem Sägeprozess keine runden Folien hergestellt werden, da nur gerade Schnitte beim Sägen möglich sind. Man benötigt aber, wie oben ausgeführt, runde Piezokeramiken.
Man könnte nun versuchen, die gesinterte 50 μm dicke und metallisierte Folienkeramik durch einen Laserprozess oder durch einen Stanzprozess in runde Einzelstücke auszuschneiden. Allerdings steht so ein Prozess für die Verarbeitung von Piezokeramiken nicht zur Vertügung. Außerdem ist die Piezokeramik hart und spröde und würde daher bei der Anwendung solch eines Verfahrens mit sehr großer Wahrscheinlichkeit zerstört werden.
Bekannt ist die Vereinzelung von Siliziumchips, die auf einem Foliensubstrat geklebt sind, mittels Laserstrahlen (sog. „stealth dicing”). So eine Technologie müsste jedoch erst für die Piezokeramik entwickelt werden. Und selbst wenn er zur Verfügung stünde, müssten die ausgeschnittenen Einzelstücke, die selbst nur noch ca. 3 Milligramm wiegen, dann mit der richtigen Polarisationsrichtung durch ein geeignetes Handlingsystem auf den Pumpenchip aufgesetzt werden, was weitere erhebliche praktische Schwierigkeiten bereitet. Außerdem führt die Erhitzung der Keramik dazu, dass die Keramik nahe den Schnittkanten depolarisiert wird, wenn die Curietemperatur überschritten wird.
Wasserstrahlschneiden wäre eine weitere Alternative, allerdings würde durch den Wasserstrahl nicht nur die Keramik sondern auch die Folie durchtrennt werden, so dass die Keramik nach dem Vereinzeln in Form von lauter Einzelteilen vorliegt, die dann wieder nach Polarisationsrichtig sortiert und montiert werden müssten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bestehende Verfahren zum Herstellen von Pumpen und Vereinzeln von Piezokeramikelementen, die als Pumpenmembran genutzt werden können, sowie Pumpen mit derartigen Membranen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie mit einer Pumpe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Pumpe bereitgestellt, bei der ein Piezo-Membranwandler an einem Pumpenkörper angeordnet ist. Der Piezo-Membranwandler weist eine Pumpenmembran und ein daran angeordnetes Piezo-Element auf. Erfindungsgemäß weist das Piezo-Element eine regelmäßige polygonale Form mit mindestens sechs Ecken auf. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass eine Pumpe, z. B. eine Mikromembranpumpe zum Fördern kleiner und kleinster Mengen im Mikroliter- oder Nanoliter-Bereich, herstellbar ist, wobei die Mikromembranpumpe ein Piezo-Element als Antriebselement zum Antreiben bzw. Auslenken der Membran aufweist. Das Piezo-Element weist eine polygonale Form mit mindestens sechs Ecken auf. Bekannte Pumpen mit rechteckigen bzw. quadratischen Pumpkammern und rechteckigen bzw. quadratischen Piezo-Elementen weisen in den Ecken ein Totvolumen auf, das nicht zur Förderung beiträgt, da das Pumpkammervolumen unter den Ecken des quadratischen Piezo-Elements nicht nutzbar ist. Die Eckenbereiche eines viereckigen bzw. quadratischen Piezo-Elements tragen umgekehrt fast nichts zum Hubvolumen bei. Im Vergleich dazu weist das erfindungsgemäße polygonförmige Piezo-Element mit mindestens sechs Ecken, insbesondere bei runden Pumpkammern, ein wesentlich geringeres Totvolumen bei in etwa gleich großem Hubvolumen auf. Dies resultiert unter anderem daraus, dass die polygonförmige Ausgestaltung des Piezo-Elements an die runde Form der Pumpkammer angepasst werden kann. In anderen Worten kann ein Umkreis um ein erfindungsgemäßes regelmäßig polygonförmiges Piezo-Element umschrieben werden, dessen Durchmesser an den Durchmesser der runden Pumpkammer anpasspar ist. Dadurch wird ein großes Hubvolumen mit deutlich weniger Totvolumen im Vergleich zu den viereckigen Piezo-Elementen nutzbar.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Schritt des Anbringens des Piezo-Elements an der Pumpenmembran zum Bilden des Piezo-Membranwandlers nach einem Schritt des Anbringens der Pumpenmembran an dem Pumpenkörper ausgeführt werden. In anderen Worten wird zuerst die Pumpenmembran an dem Pumpenkörper angebracht. Erst im Anschluss daran wird das Piezo-Element an der Pumpenmembran angeordnet. Die Kombination aus Pumpenmembran und Piezo-Element ergibt den an dem Pumpenkörper angeordneten Piezo-Membranwandler.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Schritt des Anbringens des Piezo-Elements an der Pumpenmembran zum Bilden des Piezo-Membranwandlers vor einem Schritt des Anbringens der Pumpenmembran an dem Pumpenkörper ausgeführt werden. In anderen Worten wird zuerst das Piezo-Element an der Pumpenmembran angeordnet. Die Kombination aus Pumpenmembran und Piezo-Element ergibt den Piezo-Membranwandler, der anschließend an den Pumpenkörper angebracht wird.
Es ist denkbar, dass das Vereinzeln des mindestens einen Piezo-Elements aus der Piezokeramikschicht derart geschieht, dass das mindestens eine Piezo-Element eine geradzahlige Polygoneckenzahl aufweist. Piezo-Elemente mit einer regelmäßigen Polygon-Form und einer geradzahligen Polygoneckenzahl können mit geringem Verschnitt aus einer Piezokeramikschicht vereinzelt werden. Der Verschnitt ist geringer als bei zu vereinzelnden Piezo-Elementen mit ungerader Polygoneckenzahl.
Es ist vorstellbar, dass das Vereinzeln des mindestens einen Piezo-Elements aus der Piezokeramikschicht derart erfolgt, dass das mindestens eine Piezo-Element mindestens acht Ecken aufweist. Je mehr Ecken das polygonförmige Piezo-Element aufweist, desto besser können die Eigenschaften eines runden Piezo-Elements abgebildet werden. Im Vergleich zu beispielsweise viereckigen Piezo-Elementen weist ein achteckiges Piezo-Element weniger Totvolumen auf, d. h. das nutzbare Volumen ist größer.
Gemäß einer Ausführungsform wird bei dem Vereinzeln des Piezo-Elements das Piezo-Element aus der Piezokeramikschicht in geraden Schnitten entlang eines definierten Sägemusters ausgesägt. In einigen Ausführungsformen wird das mindestens eine Piezo-Element mit ausschließlich geraden Schnitten aus der Piezokeramikschicht ausgeschnitten. Somit können Standard-Sägeprozesse zum Aussägen des Piezo-Elements aus der Piezokeramikschicht verwendet werden. Mit Sägeprozessen können insbesondere gerade Schnitte vorteilhaft, einfach und effizient gesetzt werden. Derartige Säge-Prozesse sind massenfertigungstauglich, d. h. die erfindungsgemäßen polygonalen Piezo-Elemente können kosteneffizient und in hoher Stückzahl produziert werden.
Es ist denkbar, dass bei dem Vereinzeln des Piezo-Elements das Piezo-Element aus der Piezokeramikschicht entlang eines definierten Schnittmusters mittels eines Strahlschneideverfahrens ausgeschnitten wird. Die Piezo-Elemente können beispielsweise mit Laserstrahl- oder Wasserstrahlschneiden vereinzelt werden. Hierbei können neben geraden Schnitten auch ungerade Schnitte gesetzt werden. Mit einem solchen Strahlschneideverfahren kann beispielsweise ein polygonales Piezo-Element ohne Verschnitt aus der Piezokeramikschicht herausgeschnitten werden. Bei sechseckigen Formen kann beispielsweise eine Bienenwabenartige Struktur ausgeschnitten werden.
Es ist denkbar, dass die Piezokeramikschicht eine polarisierte Piezokeramikfolie ist. Derartige bereits vorab polarisierte Piezokeramikfolien vereinfachen die Herstellung von polarisierten Piezo-Elementen mittels der Folienmethode. Denn die aus der polarisierten Folie vereinzelten Piezo-Elemente weisen bereits eine richtige Polarisierung auf und müssen nicht nach deren Vereinzelung separat polarisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Membran vorgespannt, sodass die Membran in einem unbetätigten Zustand zumindest abschnittsweise von dem Pumpenkörper beabstandet ist und dieser beabstandete Bereich eine in Draufsicht ringförmige Pumpkammer bildet. Ringförmige, und insbesondere kreisförmige, Pumpkammern führen zu einer verbesserten Effizienz der herzustellenden Pumpe im Vergleich zu viereckigen bzw. quadratischen Pumpkammern. Das polygonförmige Piezo-Element, das an der vorgespannten Membran angebracht wird, kann flexibel sein und etwa die gleichen beziehungsweise etwas kleinere äußere Abmessungen (Umkreis-Durchmesser) aufweisen wie die runde Pumpkammer (Durchmesser der Pumpkammer). Außerdem kann die Vorspannung der Membran auf eine gewünschte Pumpkammerhöhe H eingestellt werden, sodass damit das pro Pumpenhub geförderte Volumen nach Bedarf eingestellt werden kann.
Es ist denkbar, dass das Verfahren ferner das Ausbilden einer in Draufsicht ringförmigen Pumpkammer in der Pumpe aufweist, wobei die Pumpkammer derart ausgebildet wird, dass deren äußerer Umfang zu einem äußeren Umfang des Pumpenkörpers beabstandet ist, sodass ein geringster Abstand höchstens 300 μm, oder höchstens 200 μm, oder höchstens 100 μm beträgt. In anderen Worten kann der Chiprand eines Pumpenchips mit ringförmiger Pumpkammer, im Vergleich zu viereckigen bzw. quadratischen Pumpkammern, verringert werden. Der Chiprand ist der Abstand zwischen dem äußeren Umfang der Pumpkammer (Durchmesser D der Pumpkammer) und dem äußeren Umfang (bzw. Außenseite) des Pumpenkörpers. An der Stelle, an der der äußere Umfang der Pumpkammer einen minimalen Abstand zu dem äußeren Umfang des Pumpenkörpers aufweist besteht also ein geringster Abstand. Dieser geringste Abstand beträgt 300 μm oder weniger, oder 200 μm oder weniger, oder 100 μm oder weniger. Im Vergleich dazu beträgt die minimale Abmessung eines Chiprands bei bekannten viereckigen bzw. quadratischen Pumpkammern mindestens 300 μm oder mehr, um eine ausreichende Bondfläche zum Bonden der Membran an den Chiprand bereitzustellen. Aufgrund der erfindungsgemäßen ringförmigen, und insbesondere kreisförmigen, Pumpkammer steht in den Ecken mehr Bondfläche zur Verfügung, sodass die Abmessungen des Chiprands verringert werden können.
Die Erfindung stellt ferner auf eine Pumpe mit den Merkmalen von Anspruch 11 ab.
Es ist denkbar, dass das Piezo-Element eine Dicke von 100 μm oder weniger, und vorzugsweise von 50 μm oder weniger, aufweist. Ein solches Piezo-Element ist beispielsweise mit einer Folientechnik herstellbar, wobei Piezokeramiken in Folien gezogen, gesintert und polarisiert werden. Aus derartigen Folien können anschließend Piezo-Elemente durch Sägen vereinzelt werden. Insbesondere bei der Verkleinerung von Mikropumpen in Chipbauweise sollten gleichzeitig auch die Membran sowie das daran angeordnete Piezo-Element verkleinert werden. Zur Beibehaltung des Hubvolumens muss insbesondere die Dicke des Piezo-Elements verkleinert werden, wobei eine Dicke von etwa 50 μm oder darunter hierfür gut geeignet ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Pumpe eine Mikromembranpumpe sein, deren Pumpenkörper als ein Metall aufweisender oder ein Halbleitermaterial aufweisender Chip ausgebildet ist. Derartige in Chipbauweise gefertigte Mikromembranpumpen haben ein hohes Miniatursierungspotential.
Es ist denkbar, dass der Pumpenkörper eine Abmessung von 7 × 7 mm² oder kleiner, oder eine Abmessung von 3,5 × 3,5 mm² oder kleiner, oder eine Abmessung von 2 × 2 mm² oder kleiner aufweist. Bei der Miniaturisierung der Pumpe bzw. des Pumpenkörpers besteht die Schwierigkeit, dass das Hubvolumen des Piezo-Membranwandlers in etwa von der vierten Potenz der Seitenabmessung der Membran abhängt. Wird also beispielsweise die Seitenlänge der Membran halbiert, so verringert sich das Hubvolumen um den Faktor 16. Ein erfindungsgemäßes polygonförmiges Piezo-Element kann diese mit der Miniaturisierung verbundenen Nachteile zumindest teilweise kompensieren bzw. reduzieren. Daher ist der Einsatz eines erfindungsgemäßen polygonförmige Piezo-Elements für miniaturisierte Pumpen vorteilhaft.
Es ist außerdem vorstellbar, dass die Pumpe eine in Draufsicht ringförmige Pumpkammer aufweist, deren äußerer Umfang zu einem äußeren Umfang des Pumpenkörpers beabstandet ist, sodass ein geringster Abstand höchstens 300 μm, oder höchstens 200 μm, oder höchstens 100 μm, oder höchstens 50 μm beträgt. In anderen Worten bleibt zwischen dem Pumpenkörper und der Pumpkammer ein Rand bestehen, an dem die Membran anbringbar ist. Bei in Chipbauweise gefertigten Mikromembranpumpen beispielsweise, bei denen der Mikropumpenchip (mit Ausnahme des Piezo) aus Silizium im Waferverbund gefertigt wird, wird hier von einem Chiprand gesprochen. Bei bekannten Mikromembranpumpen mit viereckiger bzw. quadratischer Pumpkammer beträgt der umlaufende Chiprand 300 μm und mehr. Durch die Ausbildung einer runden Pumpkammer kann der Chiprand verkleinert werden, nämlich auf ein Maß von 300 μm oder weniger, oder 200 μm oder weniger, oder 100 μm oder weniger, oder 50 μm oder weniger.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
1A ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
1B eine auf einer Sägefolie mit Schnitt- bzw. Sägemuster angeordnete Piezokeramikschicht,
1C eine schematische Abbildung eines möglichen Schnitt- bzw. Sägemusters zur Herstellung eines sechseckigen Piezo-Elements mittels ausschließlich geraden Schnitten,
1D eine schematische Abbildung eines möglichen Schnitt- bzw. Sägemusters zur Herstellung eines achteckigen Piezo-Elements mittels ausschließlich geraden Schnitten,
1E eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Pumpe mit vorgespannter Membran ohne Abbildung eines erfindungsgemäßen Piezo-Elements,
1F eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Pumpe mit an dem Pumpenkörper anliegender Membran ohne Abbildung eines erfindungsgemäßen Piezo-Elements,
2A eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Pumpe mit vorgespannter Membran und einem erfindungsgemäßen polygonförmigen Piezo-Element mit mindestens sechs Ecken,
2B eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Pumpe mit an dem Pumpenkörper anliegender Membran und einem erfindungsgemäßen Piezo-Element,
3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Pumpe mit einem erfindungsgemäßen sechseckigen Piezo-Element,
4A eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe ohne Abbildung eines erfindungsgemäßen Piezo-Elements,
4B eine Querschnittsansicht der weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe in einem Schritt des Anbringens eines erfindungsgemäßen Piezo-Elements,
4C eine Querschnittsansicht der weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe mit an der Membran angebrachtem Piezo-Element,
4D eine Querschnittsansicht der weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe mit einer vorgespannten Membran,
4E eine Querschnittsansicht der weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe mit betätigter Membran,
5A eine Draufsicht auf eine Pumpe mit viereckiger bzw. quadratischer Pumpkammer und viereckigem bzw. quadratischem Piezo-Element gemäß dem Stand der Technik,
5B eine Draufsicht auf eine modellhafte Pumpe mit runder Pumpkammer und rundem Piezo-Element,
5C eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Pumpe mit runder Pumpkammer und sechseckigem Piezo-Element,
6A eine Auswertung einer Simulation der in den 5A, 5B und 5C gezeigten Pumpenformen hinsichtlich des Hubvolumens in Abhängigkeit von der Größe des Piezo-Elements, und
6B eine Auswertung einer Simulation der in den 5A, 5B und 5C gezeigten Pumpenformen hinsichtlich des Blockierdrucks in Abhängigkeit von der Größe des Piezo-Elements.
1A zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Pumpe, bei der ein Piezo-Membranwandler an einem Pumpenkörper angebracht ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann gegebenenfalls auch in einer anderen als der in 1A abgebildeten Reihenfolge ausgeführt werden.
Gemäß Block 10 wird eine Piezokeramikschicht bereitgestellt. Die Piezokeramikschicht kann eine Piezokeramikfolie sein. Die Piezokeramikschicht kann eine Dicke bzw. Stärke von 50 μm oder weniger aufweisen.
Gemäß Block 20 wird mindestens ein Piezo-Element aus der Piezokeramikschicht vereinzelt, sodass das mindestens eine Piezo-Element eine regelmäßige polygonale Form mit mindestens sechs Ecken aufweist.
Gemäß Block 30 wird der Piezo-Membranwandler durch Anbringen des Piezo-Elements an einer Pumpenmembran gebildet. Erfindungsgemäß ist dieser Piezo-Membranwandler an einem Pumpenkörper der Pumpe angebracht.
Hierfür kann, gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, zuerst die Pumpenmembran an dem Pumpenkörper angeordnet werden. Im Anschluss daran kann dann das Piezo-Element an der Pumpenmembran angeordnet werden.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aber auch zuerst das Piezo-Element an der Pumpenmembran angeordnet werden. Im Anschluss daran wird die Pumpenmembran einschließlich des daran angeordneten Piezo-Elements an dem Pumpenkörper der Pumpe angeordnet.
Das Piezo-Element bildet zusammen mit der Pumpenmembran den Piezo-Membranwandler.
Der Pumpenkörper kann beispielsweise ein Pumpenkörper einer aus Halbleitermaterial, z. B. aus Silizium, in Chipbauweise gefertigten Mikromembranpumpe sein. Ein solcher Pumpenkörper kann beispielsweise einen Ventilwafer aufweisen. Die Pumpenmembran kann beispielsweise ebenfalls aus einem Halbleitermaterial, z. B. aus Silizium, bestehen und beispielsweise mittels eines Schleifprozesses, hergestellt sein. Die Pumpenmembran kann beispielsweise oberhalb des Ventilwafers angeordnet sein und so einen Antriebswafer bilden. Beispielsweise durch eine Vorspannung der Pumpenmembran kann die Pumpenmembran von dem Pumpenkörper beabstandet sein. Durch diese Beabstandung kann beispielsweise die Pumpkammer vorgesehen werden.
Wie eingangs erwähnt, wird der Piezo-Membranwandler gebildet, indem das mindestens eine Piezo-Element an der Pumpenmembran angebracht wird. Die Pumpenmembran kann, wie zuvor beschrieben, an einem Pumpenkörper anordenbar sein. Die Pumpenmembran kann mittels des Piezo-Elements betätigbar sein, sodass die Bewegung der Pumpenmembran einem Pumpenhub entspricht. Die Pumpenmembran und das daran angeordnete Piezo-Element bilden zusammen den Piezo-Membranwandler.
Erfindungsgemäß wird das Piezo-Element beim Vereinzeln aus der Piezokeramikschicht in geraden Schnitten entlang eines definierten Sägemusters ausgesägt. 1B zeigt eine auf einer Folie 50 angeordnete Piezokeramikschicht 51.
Die Folie 50 und die darauf angeordnete Piezokeramikschicht 51 werden in geraden Schnitten entlang eines definierten Säge- bzw. Schnittmusters 52 ausgesägt. Das Säge- bzw. Schnittmuster 52 ist schematisch in einer vergrößerten Darstellung in 10 gezeigt.
Das Säge- bzw. Schnittmuster 52 ist derart ausgebildet, dass lediglich gerade Säge-Schnitte vorgesehen sind. Das Säge- bzw. Schnittmuster 52 weist zumindest ein erstes Paar paralleler Schnittlinien 54, 55, zumindest ein zweites Paar diagonal dazu verlaufender Schnittlinien 57, 58 und zumindest ein drittes Paar spiegelverkehrt diagonal dazu verlaufender Schnittlinien 58, 59 auf. Die Paare von Schnittlinien sind zueinander jeweils parallel.
Durch diese Anordnung der Schnittlinien erhält man aus der Piezokeramikschicht 51 ein vereinzeltes Piezo-Element 53, das die Form eines regelmäßigen sechseckigen Polygons aufweist. Außerdem erhält man, sozusagen als Verschnitt, zwei Dreiecke 60, 61.
Wie in 1B zu sehen ist, wurde ein solches sechseckiges Piezo-Element bereits aus der Piezo-Keramikschicht 51 herausgetrennt bzw. vereinzelt, was an der Leerstelle 62 zu erkennen ist.
Das Sägen von Piezofolien ist ein massenfertigungstauglicher und standardisierter Prozessschritt, sodass ein Piezo-Element wirtschaftlich herstellbar ist. Vorzugsweise kann eine bereits vorab polarisierte Keramikschicht verwendet werden. Nach dem Sägen kann die polarisierte Keramik 51 von der Sägefolie 50 auf einen Pumpenkörper (1E und folgende) bzw. einen Pumpenchip z. B. durch eine Pick&Place Technologie platziert werden.
Die Folienkeramik 51 wird durch einen Standard-Sägeprozess vereinzelt, allerdings nicht in eine quadratische Form, sondern durch gerade Schnitte in eine sechseckige Form.
Die sechseckige Form des Piezo-Elements 53 hat folgende Vorteile:

• Das Sechseck 53 kann ebenso wie das Quadrat mit geraden Schnitten aus einer ebenen Platte gesägt werden.
• Dabei bleiben zwei kleine Dreiecke 60, 61 pro Sechseck 53 übrig, es können aber noch 75% der Keramikfolienfläche für das Sechseck 53 genutzt werden. Die ausgesägten Piezokeramiken 53 können dann mit einem Pick&Place System direkt von der Sägefolie 50 mit richtiger Polarisationsrichtung auf einem Pumpenkörper, z. B. einem Mikropumpenwafer, platziert werden.
• Das Sechseck 53 ist einer idealen Kreisform viel besser angepasst als ein Quadrat.

Dadurch kann (unter der sechseckigen Keramik 53) eine runde Pumpkammer gewählt werden, was die oben beschriebenen Vorteile bringt.
1D zeigt eine weitere Möglichkeit eines Säge- bzw. Schnittmusters 80 entlang dessen eine Piezokeramikschicht 51 aussägbar bzw. ausschneidbar ist. Dieses Säge- bzw. Schnittmuster 80 kann dazu verwendet werden, um aus der Piezokeramikschicht 51 mindestens ein achteckiges erfindungsgemäßes Piezo-Element 83 mit geraden Schnitten auszuschneiden bzw. auszusägen, um dieses anschließend zu vereinzeln.
Wie zuvor bereits erwähnt, werden die ausgesägten bzw. ausgeschnittenen polygonförmigen Piezo-Elemente 53, 83 an einer Pumpenmembran angeordnet. Die Piezo-Elemente 53, 83 sind dazu ausgebildet, um die Pumpenmembran in mindestens eine Richtung auszulenken. Die Piezo-Elemente 53, 83 bilden zusammen mit der Pumpenmembran, an der sie angebracht sind, einen Piezo-Membranwandler für eine Pumpe.
1E zeigt eine reduzierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Pumpe 100, bei der zur Vereinfachung der Erklärung der Grundstruktur der Pumpe 100 das erfindungsgemäße Piezo-Element vorerst noch nicht eingezeichnet ist.
Die in 1E gezeigte Pumpe 100 weist einen Pumpenkörper 120 und eine darauf angeordnete Membran 110 auf. Die Pumpenmembran 110 ist in der in 1E gezeigten Lage vorgespannt, d. h. von dem Pumpenkörper 120 zumindest abschnittsweise beabstandet. Dies entspricht einem unbetätigten bzw. inaktiven Ausgangszustand der Pumpe 100, während in 1F die Membran 110 mittels eines (hier noch nicht gezeigten) Piezo-Elements betätigt ist.
Die Pumpenmembran 110 weist eine erste bzw. obere Oberfläche 112 und eine zweite bzw. untere Oberfläche 114 auf, die gegenüberliegend zu der ersten Oberfläche 112 angeordnet ist. Der Pumpenkörper 120 weist eine erste bzw. obere Oberfläche 122 und eine zweite bzw. untere Oberfläche 124 auf, die gegenüberliegend zu der ersten Oberfläche 122 angeordnet ist. Die Pumpenmembran 110 ist entlang ihres Umfangs an dem Pumpenkörper 120 angeordnet.
Die Pumpe 100 weist außerdem eine Pumpkammer 102 (1E) auf, wobei die Pumpkammer 102 definiert wird als der Freiraum bzw. das Volumen zwischen der Pumpenmembran 110 und dem Pumpenkörper 120. Die Pumpkammer 102 weist hier beispielhaft einen Durchmesser D auf. Der Durchmesser D der Pumpkammer 102 wird von dem Abstand zwischen zwei entgegengesetzt lateralen Positionen der Pumpe 100 definiert, in denen die Pumpenmembran 110 – in einem nicht betätigten vorgespannten Zustand – den Pumpenkörper 120 berührt, was typischerweise den Positionen entspricht, in denen die Pumpenmembran 110 entlang ihres Umfangs an dem Pumpenkörper 120 angeordnet ist.
Das Bezugszeichen H bezeichnet die Höhe der Pumpkammer 102 in einem nicht betätigten Zustand, d. h. die vertikale Distanz zwischen der ersten Oberfläche 122 des Pumpenkörpers 120 und der unteren Oberfläche 114 der Pumpenmembran 110 im Zentrum 103 der Pumpenmembran 110.
Der Pumpenkörper 120 weist einen Einlass 126 und einen Auslass 128 sowie eine Kavität auf der Oberseite des Pumpenkörpers 120, d. h. auf der der Pumpenmembran 110 zugewandten Seite auf, in der ein erstes Ventil 130 und ein zweites Ventil 140 angeordnet sind. Das erste Ventil 130 und das zweite Ventil 140 stehen in Fluidverbindung mit der Pumpkammer 102.
In der hier gezeigten Ausführungsform der Mikropumpe 100 sind das einlassseitige Rückschlagventil 130 und das auslassseitige Rückschlagventil 140 in Form eines Stapels 170 zweier Halbleiterchips 150, 160 ausgebildet, wobei die obere Halbleiterschicht bzw. Chip 150 der Doppelventilstruktur 170 oberhalb der unteren Halbleiterschicht bzw. dem Chip 160 angeordnet ist. Die erste und/oder zweite Halbleiterschicht 150, 160 können beispielsweise Silizium oder andere Halbleitermaterialien aufweisen.
Wie in den 1E und 1F zu erkennen ist, ist die erste Oberfläche 122 des Pumpenkörpers 120 plan, und eine obere Oberfläche 152 des Einlass- und des Auslassventils 130, 140, oder in anderen Worten, eine obere Oberfläche 152 der der Pumpenmembran 110 zugewandten oberen Schicht 150, ist ebenfalls plan und auf derselben Höhe wie die erste Oberfläche 122 bezüglich einer vertikalen Orientierung in 1E. Unterhalb dieser gemeinsamen Ebene (definiert durch die Oberflächen 122, 152) weist das einlassseitige Rückschlagventil 130 eine Kavität 132, z. B. eine in der oberen und unteren Schicht 150, 160 ausgebildete Kavität, auf und das auslassseitige Rückschlagventil 140 weist eine Kavität 142 auf, z. B. in der oberen Schicht 150.
Obwohl die 1E und 1F einen Pumpenkörper 120 mit einer eingesetzten Doppelventilstruktur 170 zeigen, können andere Ausführungsformen der Pumpe Ventilstrukturen 130, 140 aufweisen, die direkt in der Pumpe strukturiert sind. In weiteren Ausführungsformen kann die obere Oberfläche 152 der Ventilstruktur 170 bereits den Pumpenkörper 120 ausbilden (siehe beispielsweise die 4A bis 4E).
Im Folgenden werden die erste Oberfläche 122 des Pumpenkörpers 120 und die obere Oberfläche 152 des einlassseitigen und auslassseitigen Rückschlagventils 130, 140 auch gemeinsam als erste Oberfläche eines Pumpenkörpers oder als Pumpenkörperboden bezeichnet. Die in den 1E und 1F abgebildete Mikropumpe 100 weist eine im Wesentlichen plane erste Oberfläche 122 bzw. einen im Wesentlichen planen Pumpenkörperboden auf, d. h. eine erste Oberfläche 122, die mit Ausnahme der Kavitäten 132, 142 der Ventile, plan ausgebildet ist.
In diesem Kontext soll erwähnt werden, dass ein maximales Volumen V_max der Pumpkammer 102 das Volumen zwischen dem Pumpenkörper 120 und der Pumpenmembran 110, wie in 1E in dem vorgespannten Zustand gezeigt, sowie die Volumina der Ventil-Kavitäten 132, 142 umfasst.
Wie darüber hinaus in 1F zu erkennen ist, wird in Ausführungsformen, in denen die Pumpenmembran 110 mit einer planen Form innerhalb der zweiten weniger vorgespannten Position angenommen wird und an die erste Oberfläche 122 des Pumpenkörpers 120 angrenzt, das minimale bzw. Totvolumen V₀ im Wesentlichen durch die Ventil-Kavitäten 132, 142 bestimmt. Die Differenz dieser beiden Volumina wird auch als Hubvolumen ΔV = V_max – V₀ bezeichnet. Nachdem das Verdichtungsverhältnis c definiert ist als c = ΔV/V₀ weisen die in den 1E und 1F gezeigten Ausführungsformen hohe Verdichtungsverhältnisse auf.
Die Pumpkammer 102 ist in diesem Beispiel vollständig (mit Ausnahme des einlassseitigen Rückschlagventils 130 und des auslassseitigen Rückschlagventils 140) gegenüber ihrer Umwelt abgedichtet mittels einer Verbindung zwischen der Pumpenmembran 110 und dem Pumpenkörper 120 entlang des Umfangs der Pumpenmembran 110. Der Umfang der Pumpenmembran 110 kann eine winklige Form, eine beliebige punktsymmetrische Form oder jede andere Form aufweisen. Ein winklig oder punktsymmetrisch ausgebildeter Umfang der Pumpenmembran 110 führt zu einer verbesserten Pumpcharakteristik, da diese Formgebungen Deformationen während den Bewegungen vermeiden.
Die 2A und 2B zeigen schematisch einen Querschnitt einer Ausführungsform einer Pumpe 200, die ein Piezo-Element 210 aufweist, das auf der Oberseite 112 der Pumpenmembran 110 angeordnet ist. 2A zeigt, analog zu der 1E, die Pumpe 200 mit der Pumpenmembran 110 in einer ersten vorgespannten Position. 2B zeigt, analog zu 1F, die Pumpe 200, mit der Pumpenmembran 110 in einer zweiten, d. h. weniger vorgespannten Position, in diesem Fall in einer planen Position.
2A zeigt also die erfindungsgemäße Pumpe 200 mit an einem Pumpenkörper 120 der Pumpe 200 angeordneten Piezo-Membranwandler 101. Der Piezo-Membranwandler 101 weist ein aus einer Piezokeramikschicht hergestelltes und an einer Membran 110 angeordnetes Piezo-Element 210 auf. Erfindungsgemäß weist das Piezo-Element 210 eine regelmäßige polygonale Form mit mindestens sechs Ecken auf. Da die polygonale Form des Piezo-Elements 210 in der vorliegenden Schnittansicht nicht erkennbar ist, wird diesbezüglich auf die in 3 gezeigte Draufsicht verwiesen.
Die Polygonform des in den 2A und 2B abgebildeten Piezo-Elements 210 ist also in der in 3 gezeigten Draufsicht zu erkennen. Gemäß 3 weist die Mikropumpe 200 den Pumpenkörper 120 auf. Zwischen dem Pumpenkörper 120 und der darüber liegenden vorgespannten Membran 110 ist, wie zuvor mit Bezug auf 1E erläutert, die Pumpkammer 102 ausgebildet. Die Pumpkammer 102 weist in diesem Beispiel eine runde Form auf, welche durch den äußeren gestrichelten Kreis 301 dargestellt ist. Die runde Pumpkammer 102 weist einen Durchmesser D auf.
Auf der dem Betrachter zugewandten Oberseite des Pumpenkörpers 102 ist die Membran 110 angeordnet. Die Membran 110 spannt sich in diesem Beispiel vollständig über die lateralen Abmessungen des Pumpenkörpers 102 und ist an diesem befestigt. Auf der dem Betrachter zugewandten Oberseite der Membran 110 ist das Piezo-Element 210 angeordnet. Das Piezo-Element 210 und die Membran 110 bilden zusammen den erfindungsgemäßen Piezo-Membranwandler 101.
Das Piezo-Element 210 ist aus einer Piezokeramikschicht hergestellt und weist eine sechseckige Form auf. Genauer gesagt weist das Piezo-Element 210 eine regelmäßige polygonale Form mit einer geradzahligen Polygoneckenzahl mit sechs Ecken auf. Unter einer regelmäßigen polygonalen Form ist ein Polygon zu verstehen, das sowohl gleichseitig als auch gleichwinklig ist.
Um das polygonförmige Piezo-Element 210 herum kann ein Umkreis 302 mit Durchmesser d umschrieben werden. Der Durchmesser d des Umkreises 302 ist kleiner als der Durchmesser D der Pumpkammer 102.
Wie in den 2A und 2B zu erkennen ist, weist das Piezo-Element 210 eine obere Elektrode auf der ersten Oberfläche 212 (auch als obere oder oberste Oberfläche bezeichnet) auf. Das Piezo-Element 210 weist außerdem eine untere Elektrode auf der zweiten Oberfläche 214 (auch als untere oder unterste Oberfläche bezeichnet) auf, wobei die zweite Oberfläche 214 auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche des Piezo-Elements 210 angeordnet ist. Die oberste Elektrode des Piezo-Elements 210 ist mit einem ersten Kontakt 216, und die unterste Elektrode des Piezo-Elements 210 ist mit einem zweiten Kontakt 218 der Pumpe elektrisch verbunden, zum Beispiel mittels einer leitenden Schicht, die zumindest auf einem Teil der ersten Oberfläche 112 der Pumpenmembran 110 aufgetragen sein kann.
Das Piezo-Element 210 kann beispielsweise mittels Klebstoff oder anderer Bonding-Techniken an die Pumpenmembran 110 gebondet sein. Das Piezo-Element 210 ist polarisiert, sodass sich das Piezo-Element 210 im Falle einer zwischen der oberen Elektrode 216 und der unteren Elektrode 218 anliegenden positiven elektrischen Spannung lateral kontrahiert und dabei die vorgespannte Pumpenmembran 110 nach unten, d. h. in Richtung des Pumpenkörpers 120, auslenkt.
In 2A liegt keine elektrische Spannung (U = 0 V) an den Elektroden 216, 218 an. Demnach ist das Piezo-Element 210 hier nicht aktiviert und die vorgespannte Membran 110 bleibt in ihrer vorgespannten Position.
In 2B liegt eine positive elektrische Spannung, z. B. U = U_max, an. Demnach wird die Pumpenmembran 110 nach unten, d. h. in Richtung des Pumpenkörpers 120 ausgelenkt und kommt mit dem planen Pumpenkörper 120 in Berührung.
Die Bewegung der Pumpenmembran 110 von der ersten vorgespannten Position in die zweite plane Position kann auf unterschiedliche Weise mittels eines erfindungsgemäßen Piezo-Elements 53, 83, 210 erreicht werden, z. B. mittels einer Piezokeramik 210 oder anderen Piezoantrieben wie z. B. mittels Piezo-Stapel-Aktoren, die auf die Pumpenmembran geklebt werden, wie zuvor mit Bezug auf die 2A und 2B erwähnt, wobei sich diese Piezoantriebe beim Anlegen einer positiven Spannung lateral kontrahieren und sich lateral entspannen, wenn keine Spannung angelegt ist. Außerdem dehnen sich diese Piezoantriebe über ihre im entspannten Zustand vorherrschende laterale Länge bzw. Abmessung hinaus aus, wenn eine negative Spannung angelegt wird. In anderen Ausführungsformen kann die Ausübung der Kraft auf die Pumpenmembran mittels eines Piezo-Stapel-Aktors ausgeübt werden, der permanent an die Pumpenmembran gebondet ist.
Die 4A bis 4E zeigen eine weitere Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Pumpe 400 mit einer Pumpenmembran 110, wobei die zuvor mit Bezug auf die 1E beschriebene zweilagige Ventilstruktur 170 nun den Pumpenkörper 120 bildet, und wobei die Pumpenmembran 110 in Form einer strukturierten und zumindest abschnittsweise ausgedünnten dritten Schicht 410 ausgebildet ist.
Wie in 4A zu erkennen ist, weist die dritte Schicht 410 eine obere bzw. erste Oberfläche 412 auf, wobei die dritte Schicht 410 eine flexible Pumpenmembran 110 ausbildet. Die dritte Schicht 410 ist im Bereich der der ersten Oberfläche 412 gegenüberliegend angeordneten unteren bzw. zweiten Oberfläche 414 leicht ausgedünnt, und zwar in einem etwa zentralen Bereich um die Ventile 130, 140 herum.
Der obere Bereich 412 weist eine Seitenlänge d₂ auf. Im Falle eines runden Pumpenkörpers 120 bzw. einer runden Pumpenmembran 110 wiese der obere Bereich 412 dementsprechend einen Durchmesser mit der Dimension d₂ auf. Der untere ausgedünnte Bereich bildet die Pumpkammer 102 und weist eine Seitenlänge bzw. einen Durchmesser D auf. Die Pumpkammer 102 ist vorzugsweise ringförmig, und insbesondere kreisförmig, ausgebildet.
Die Seitenlänge bzw. der Durchmesser d₂ der ersten bzw. oberen Oberfläche 412 ist größer als die Seitenlänge bzw. der Durchmesser D der zweiten bzw. unteren Oberfläche 414. Die Pumpenmembran 110, bzw. die dritte Schicht 410, und der Pumpenkörper 170 sind derart miteinander verbunden, dass die Pumpenkammer 102 zwischen dem Pumpenkörper 170 und der Pumpenmembran 110 definiert ist.
4A zeigt die Pumpe 400 in einem Zustand bevor ein Piezo-Element an die Membran 110 gebondet, und diese ausgelenkt ist.
In 4B wird ein Piezo-Element 210 mittels einer auf dessen Unterseite aufgebrachten Schicht Kleber 320 an der Oberseite der Pumpenmembran 110 angebracht.
4C zeigt die Pumpe mit einem auf der Pumpenmembran 110 angeordneten Piezo-Element 210 und einer zwischen der Pumpenmembran 110 und dem Piezo-Element 210 angeordneten Klebeschicht 320.
Erfindungsgemäß weist auch das in den 4A bis 4C in einer Querschnittsansicht dargestellte Piezo-Element 410 eine regelmäßige Polygon-Form mit mindestens sechs Ecken auf. Diesbezüglich wird noch einmal auf die in 3 dargestellte Draufsicht der erfindungsgemäßen Pumpe verwiesen, in der die polygonale Form des Piezo-Elements 210 deutlich erkennbar ist.
In 3 sowie in den 4A bis 4E weist die Pumpe den Pumpenkörper 170 auf, der eine erste Schicht 160 und eine darüber angeordnete zweite Schicht 150 aufweist. Über der zweiten Schicht 150 ist die dritte Schicht 410 angeordnet, die in ihrem dem Betrachter abgewandten ausgedünnten Bereich die Pumpkammer 102 bildet.
Die Pumpkammer 102 ist also zwischen dem Pumpenkörper 170 und der Membran 110 ausgebildet. Die Pumpkammer 102 weist in diesem Beispiel eine runde Form auf, welche durch den äußeren gestrichelten Kreis dargestellt ist. Die runde Pumpkammer 102 weist einen Durchmesser D auf.
Auf der dem Betrachter zugewandten Oberseite der Membran 110 ist das polygonförmige Piezo-Element 210 angeordnet. Das Piezo-Element 210 und die Membran 110 bilden zusammen den erfindungsgemäßen Piezo-Membranwandler 101.
Das Piezo-Element 210 ist aus einer Piezokeramikschicht hergestellt und weist eine sechseckige Form auf. Genauer gesagt weist das Piezo-Element 210 eine regelmäßige polygonale Form mit einer geradzahligen Polygoneckenzahl mit sechs Ecken auf.
Um das polygonförmige Piezo-Element 210 herum kann ein Umkreis 302 mit Durchmesser d umschrieben werden. Der Durchmesser d des Umkreises 302 ist kleiner als der Durchmesser D der Pumpkammer 102.
4D zeigt eine weitere Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Pumpe 400 mit polygonförmigem Piezo-Element 210, das mittels Kleber 320 an der Pumpenmembran 110 angeordnet ist. Die Pumpenmembran 110 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls vorgespannt, das heißt sofern keine elektrische Spannung an dem Piezo-Element 210 angelegt ist, befindet sich die Pumpenmembran 110 in ihrer abgebildeten vorgespannten Ausgangsposition.
In 4E ist eine Spannung, z. B. U = U_max = 300 V, angelegt. Das Piezo-Element 210 kontrahiert lateral und drückt dabei die Pumpenmembran 110 in Richtung des Pumpenkörpers 170. So wird ein Pumpenhub ausgeführt, bei dem ein zu förderndes Medium von dem Einlass 130 zu dem Auslass 140 gefördert wird.
Auch wenn die bisherigen Ausführungsformen so beschrieben waren, dass die Pumpenmembran 410 erst an den Pumpenkörper 170 gebondet und anschließend vorgespannt wird, kann in alternativen Ausführungsformen auch eine bereits vorgespannte Pumpenmembran 410 an den Pumpenkörper 170 gebondet werden. In alternativen Ausführungsformen ist es außerdem denkbar, dass die Pumpenmembran 110 nicht vorgespannt ist. In einem solchen Fall liegt die Pumpenmembran 110 in ihrer Ausgangsposition an dem Pumpenkörper 120, 170 an (2B, 4C) und beim Anlegen einer elektrischen Spannung wölbt sich die Pumpenmembran 110 nach außen, d. h. bewegt sich die Pumpenmembran 110 von dem Pumpenkörper 120, 170 weg (2A, 4D).
Wie zuvor mit Bezug auf die Figuren beschrieben wurde, wird der Piezo-Membranwandler 101 erfindungsgemäß dadurch gebildet, dass das polygonförmige Piezo-Element 53, 83, 210 an einer Pumpenmembran 110 angebracht wird. Es ist ebenfalls denkbar, dass neben diesem polygonförmigen Piezo-Element 53, 83, 210 noch weitere Piezo-Elemente an der Membran 110 angebracht werden. Vorzugsweise, aber nicht notwendiger Weise, können diese zusätzlichen Piezo-Elemente ebenfalls eine regelmäßige polygonale Form aufweisen.
Wie erwähnt, weist also ein Piezo-Membranwandler 101 eine Pumpenmembran 110 und ein daran angeordnetes Piezo-Element 53, 83, 210 auf. Eine Pumpe, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist, weist zumindest einen Piezo-Membranwandler 101 mit einem regelmäßig polygonförmigem Piezo-Element 53, 83, 210 auf, wobei dieser Piezo-Membranwandler 101 an dem Pumpenkörper 120, 170 angebracht ist. Nun ist es auch denkbar, dass mehrere Piezo-Membranwandler an dem Pumpenkörper 120, 170 angebracht werden. Das heißt, es können mehrere Membranen (oder auch eine in mehrere Abschnitte unterteilte Membran) mit jeweils mindestens einem Piezo-Element an dem Pumpenkörper 120, 170 angeordnet werden. Vorzugsweise, aber nicht notwendiger Weise, können die an den zusätzlichen Membranen bzw. Membranabschnitten angeordneten Piezo-Elemente ebenfalls eine regelmäßige polygonale Form aufweisen.
So kann beispielsweise eine Peristaltikpumpe, wie sie z. B. in der DE 102 38 600 A1 beschrieben ist, mit mehreren erfindungsgemäßen Piezo-Membranwandlern 101 ausgestattet werden. So kann beispielsweise ein erster an dem Pumpenkörper angebrachter Piezo-Membranwandler zusammen mit einem ersten Fluiddurchlass ein Einlassventil bilden. Ein zweiter an dem Pumpenkörper angebrachter Piezo-Membranwandler kann beispielsweise zusammen mit einem zweiten Fluiddurchlass ein Einlassventil bilden. Ein dritter an dem Pumpenkörper angebrachter Piezo-Membranwandler kann beispielsweise zusammen mit einem Teil des Pumpenkörpers eine Pumpkammer bilden. Erfindungsgemäß weist mindestens einer der Piezo-Membranwandler ein Piezo-Element mit regelmäßig polygonaler Form auf. Vorzugsweise können aber zumindest zwei, oder auch alle weiteren Piezo-Membranwandler jeweils ein Piezo-Element mit regelmäßig polygonaler Form aufweisen.
Ein Vorteil, den das erfindungsgemäße polygonförmige Piezo-Element 53, 83, 210 mit sich bringt, wird im Folgenden mit Bezug auf die 5A, 5B und 5C beschrieben.
5A zeigt eine Mikropumpe 500A gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht. Die Mikropumpe 500A weist einen viereckigen Pumpenkörper 501A auf. Auf dem Pumpenkörper 501A ist eine viereckige Membran 502A angeordnet. Auf der Membran 502A ist ein viereckiges Piezo-Element 503A angeordnet. Zwischen der Membran 502A und dem Pumpenkörper 501A ist eine, mit Strichlinien dargestellte, viereckige Pumpkammer 504A vorgesehen.
Um die Membran 502A auf dem Pumpenkörper 501A anzubringen bzw. zu bonden, muss zwischen der viereckigen Pumpkammer 504A und den Außenseiten des viereckigen Pumpenkörpers 501A ein umlaufender Chiprand 505A bestehen bleiben. Um eine ausreichende Fläche zum Bonden vorzusehen, muss der Chiprand 505A umlaufend eine Breite B_V von mindestens 300 μm oder mehr aufweisen.
5B zeigt ein Modell einer Mikropumpe 500B in einer Draufsicht. Die Mikropumpe 500B weist einen viereckigen Pumpenkörper 501B auf. Auf dem Pumpenkörper 501B ist eine viereckige Membran 502B angeordnet. Auf der Membran 502B ist ein rundes Piezo-Element 503B angeordnet. Zwischen der Membran 502B und dem Pumpenkörper 501B ist eine, mit Strichlinien dargestellte, runde Pumpkammer 504B vorgesehen.
Aufgrund der kreisförmigen Pumpkammer 504B bleibt in den vier Ecken 510B, 511B, 512B, 513B des viereckigen Pumpenkörpers 501B wesentlich mehr Platz zum Bonden der Membran 502B im Vergleich zu dem in 5A gezeigten Stand der Technik. Somit kann der Umfang der runden Pumpkammer 504B näher an den Rand des viereckigen Pumpenkörpers 501B wandern. Der umlaufende Chiprand 505B kann somit eine im Vergleich zu dem in 5A gezeigten Stand der Technik reduzierte Mindestbreite B_R aufweisen, wobei die Breite B_R in einem Bereich des geringsten Randabstands gemessen wird, d. h. in einem Bereich in dem der Außenumfang der Pumpkammer 504B am wenigsten weit von einer Außenseite des viereckigen Pumpenkörpers 501A beabstandet ist.
Wie eingangs erwähnt, gibt es derzeit keine massenfertigungstaugliche Technologie zum Bereitstellen von runden Piezo-Elementen, wie in 5B gezeigt. Die in 5B gezeigte Pumpe 500B stellt somit nur ein idealisiertes Modell dar, das für die im Folgenden erwähnten Simulationsversuche zu Vergleichszwecken modelliert wurde.
5C zeigt eine erfindungsgemäße Pumpe 500 in einer Draufsicht. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 3 gezeigten Pumpe 200. Die Pumpe 500 weist einen viereckigen Pumpenkörper 120 auf. Der Pumpenkörper 120 ist quadratisch und weist eine Seitenlänge a, von z. B. 5 mm, auf.
Auf der dem Betrachter zugewandten Seite des Pumpenkörpers 120 ist eine Membran 110 angeordnet. Auf der dem Betrachter zugewandten Seite der Membran 110 ist ein Piezo-Element 210 angeordnet. Das Piezo-Element 210 weist eine regelmäßige polygonale Form mit sechs Ecken auf. Aufgrund der regelmäßigen Polygon-Form kann dem polygonförmigen Piezo-Element 210 ein in punktierter Linie dargestellter Umkreis 515 umschrieben werden.
Die Pumpe 500 weist eine in Strichlinien dargestellte runde Pumpkammer 102 auf. Da in den vier Ecken 510, 511, 512, 513 des viereckigen Pumpenkörpers 120 mehr Platz zum Anbringen der Pumpenmembran 110 im Vergleich zum Stand der Technik besteht, kann der minimale Randabstand B_P der Pumpkammer 102 zu den Außenseiten des Pumpenkörpers 120 reduziert werden, sodass der Durchmesser D der Pumpkammer 102 vergrößert werden kann.
Zur Verdeutlichung der Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik wurden Simulationen mit dem Simulationsprogramm ANSYS durchgeführt, deren Ergebnisse im Folgenden mit Bezug auf die 6A und 6B näher erläutert werden.
Es wurden Simulationen hinsichtlich der Effizienz einer erfindungsgemäßen Pumpe mit polygonalem Piezo-Element (5C) im Vergleich zu Pumpen gleicher Abmessung aber mit viereckigem (5A) und rundem Piezo-Element (5B) durchgeführt.
Das in den 5A, 5B und 5C dargestellte äußere Quadrat beschreibt die Chipgröße der Mikropumpe 500, 500A, 500B, der äußere gestrichelte Kreis, bzw. das gestrichelte Quadrat, beschreibt die Begrenzung der Pumpkammer 102, 504A, 504B während die schattierten inneren Flächen die Form der Piezo-Elemente 210, 503A, 503B darstellt. Der „Durchmesser”, d. h. der Umkreis des erfindungsgemäßen sechseckigen Piezo-Elements 201 entspricht dem Kreisradius, in dem das Sechseck einbeschrieben werden kann (gepunkteter Kreis).
Zu sehen ist, dass bei gleichem minimalen Abstand B_V, B_R, B_P der Pumpkammer zum Rand, von z. B. 300 μm, die Bondfläche bei runder Pumpkammer (5B, 5C) wesentlich größer ist als bei quadratischer Pumpkammer (5A).

Die Simulationen mit dem Programm ANSYS wurden mit folgenden Parametern durchgeführt:

• Chipgröße:	5 × 5 mm²
• Durchmesser der Pumpkammer:	4400 μm
• Membrandicke:	30 μm
• Dicke der Piezokeramik:	55 μm
• Materialwerte:
• Silizium E-Modul	1,60E + 11 Pa
• Silizium Poissonzahl	0,25
• Piezo E-Modul	8,00E + 10 Pa
• Piezo Poissonzahl	0,25
• Piezo d31:	3,50E – 10 m/V
• Spannungshub:	±82,5 V/–22 V

6A zeigt die Simulationsergebnisse für das Hubvolumen in Nanoliter (y-Achse) in Abhängigkeit von der Piezogröße (x-Achse). Der Graph 601 zeigt die Simulationsergebnisse einer erfindungsgemäßen Pumpe mit sechseckigem Piezo-Element über einer runden Pumpkammer (5C). Der Graph 602 zeigt zum Vergleich die Simulationsergebnisse einer Pumpe mit viereckigem Piezo-Element über einer viereckigen Pumpkammer (5A). Der Graph 603 zeigt zum Vergleich die Simulationsergebnisse einer Pumpe mit rundem Piezo-Element über einer runden Pumpkammer (5B).
6B zeigt die Simulationsergebnisse für den Blockierdruck (y-Achse) in Abhängigkeit von der Piezogröße (x-Achse). Der Graph 604 zeigt die Simulationsergebnisse einer erfindungsgemäßen Pumpe mit sechseckigem Piezo-Element über einer runden Pumpkammer (5C). Der Graph 605 zeigt zum Vergleich die Simulationsergebnisse einer Pumpe mit viereckigem Piezo-Element über einer viereckigen Pumpkammer (5A). Der Graph 606 zeigt zum Vergleich die Simulationsergebnisse einer Pumpe mit rundem Piezo-Element über einer runden Pumpkammer (5B).
Dabei ist der Piezo-Größenfaktor wie folgt definiert:
Für einen Kreis gilt: Piezo Größenfaktor = Durchmesser des runden Piezo-Elements / Durchmesser der Pumpkammer
Für ein Sechseck gilt: Piezo Größenfaktor = max. Durchmesser des sechseckigen Piezo-Elements / Durchmesser der Pumpkammer
Für ein Quadrat gilt: Piezo Größenfäktor = Seitenlänge des viereckigen Piezo-Elements / Seitenlänge der Pumpkammer
Die folgende Tabelle (Tabelle 1) fasst die optimalen Piezogeometrien zusammen, also den Piezo-Größenfaktor, bei dem das Hubvolumen und der Blockierdruck maximal sind. Da die Maxima von Hubvolumen und Blockierdruck nicht genau bei demselben Piezo-Größenfaktor maximal sind, wird derjenige Piezo-Größenfaktor gewählt, bei dem das Produkt von Hubvolumen V_hub und Blockierdruck (stall pressure) p_block maximal ist. Dieses Produkt wird im Folgenden auch als „Effizienz” definiert: Effizienz = V_hub·p_block

Dieses Produkt ist ein Maß für die Effizienz des erfindungsgemäßen Piezo-Membranwandlers. Die Effizienz ist bei kreisrunder Membran am besten, gefolgt von der Sechseckgeometrie, und der quadratischen Membran.

	Kreisrund	Sechseck	Quadrat
Piezo-Größenfaktor (optimum)	0,87	0,93	0,84
V_hub [nl]	102,7	98,7	117,7
P_block [kPa]	120,7	116,3	94,4
V_hub·P_block	12396	11479	11111
Relative Effizienz bezogen auf quadratische Geometrie	111,6%	103,3%	100,0%

Tabelle 1

Schon aus dieser Betrachtung wird klar, dass die Sechseckgeometrie effizienter ist als die quadratische Geometrie. Die relative Effizienz, bezogen auf die quadratische Geometrie, ist bei der erfindungsgemäßen sechseckigen Form des Piezo-Elements um 3,3% höher bzw. besser als bei einem Vergleichs-Piezo-Element mit quadratischer Form.
Noch nicht berücksichtigt ist bei der bisherigen Betrachtung, dass der Randabstand B_R, B_V, B_P bei runder Pumpkammer kleiner gewählt werden kann, z. B. b₂ = 100 μm statt b₁ = 300 μm. Dies ist begründet durch den Umstand, dass bei einer runden Pumpkammer (5B, 5C) im Vergleich zu einer viereckigen Pumpkammer (5A) viel mehr Bondfläche in den vier Ecken 510, 511, 512, 513 zur Verfügung steht.
Bei sonst gleichen Parametern nimmt das Hubvolumen mit der vierten Potenz der Membranseitenlänge zu, während (wiederum bei gleichen Parametern) der Blockierdruck mit der zweiten Potenz abnimmt.
Demzufolge nimmt die hier definierte Effizienz mit der zweiten Potenz der Membranseitenlänge zu.
Dadurch kann die Effizienz (bei gleicher Chipabmessung mit Seitenlänge a, z. B. a = 5 mm) bei rundem und sechseckigem Piezo-Element weiter verbessert werden: Verbesserungsfactor = Effizienz mit kleinem Randabstand / Effizienz mit großem Randabstand = ( a – 2b₂ / a – 2b₁)²
Bei den hier gewählten Parametern liegt der Verbesserungsfaktor bei 1,19 bzw. 19%. Es würden demnach bei 5 mm Chipgröße und einem Randabstand von b₂ = 100 μm anstatt einem Randabstand von b₁ = 300 μm das runde Piezo-Element und das sechseckige Piezo-Element um 19% effizienter sein als das quadratische Piezo-Element, allein aus dem Umstand heraus, dass bei runder Pumpkammer der Mindestabstand der Membran viel näher an den Chiprand gelegt werden kann.
D. h. zusätzlich zu der Effizienzverbesserung von 3,3% aus Tabelle 1, lässt sich eine Verbesserung von weiteren 19% erzielen, da der Chiprand (d. h. der minimale Abstand zwischen Pumpkammer und Pumpenkörper) bei runder Pumpkammer kleiner gemacht werden kann.

Bei einer Chipabmessung von a = 3 mm, und den gleichen Randabmessungen b₁, b₂ verbessert sich die Effizienz einer runden Pumpkammer gegenüber einer viereckigen Pumpkammer dann um 36,1%, und bei 2 mm Seitenlänge des Pumpen-Chips sogar um 65,3%, wie in Tabelle 2 zu sehen ist.

Effizienzvorteil	Kreisrund	Sechseck	Quadrat
piezo size factor (optimum)	0,87	0,93	0,844
V_hub [nl]	102,7	98,7	117,7
P_block [kPa]	120,7	116,3	94,4
V_hub·P_block	12396	11479	1111
Relative Effizienz	111,6%	103,3%	100,0%
Randvorteil 5 mm	119,0%	119,0%	100,0%
Gesamtvorteil 5 mm	132,8%	122,9%	100,0%
Randvorteil 3 mm	136,0%	136,0%	100,0%
Gesamtvorteil 3 mm	151,7%	140,5%	100,0%
Randvorteil 2 mm	165,3%	165,3%	100,0%
Gesamtvorteil 2 mm	219,5%	203,2%	100,0%,

Tabelle 2

Daraus wird ersichtlich, dass vor allem bei einer Miniaturisierung des Pumpenchips der Vorteil einer sechseckigen Piezokeramik voll zum Tragen kommt: diese kann genau wie die quadratische Membran aus der Sägefolie gesägt werden, aber sie verliert (gegenüber der idealen, runden Piezokeramik) nur einige Prozent an Effizienz, während die sechseckige Piezokeramik gegenüber der quadratischen Membran bei kleinen Chipabmessungen sehr viel effizienter ist, z. B. bei einem Pumpenchip mit 3 mm Abmessung um 40%.
Das Hubvolumen und der Blockierdruck können (bei gegebener Membranseitenlänge a) eingestellt werden, indem die Dicke der Membran und der Piezokeramik, d. h. die Dicke des Piezo-Membranwandlers, verändert wird. Um beispielsweise bei größerem Membrandurchmesser trotzdem den gleichen Blockierdruck p_block zu erhalten, muss man die Membran und die Piezokeramik dicker machen.
Eine sechseckige Piezokeramik ist auch noch aus einem anderen Grund vorteilhaft: Wenn man die Piezokeramikschicht nicht durch gerade Sägeschnitte, sondern durch ein Strahlschneideverfahren, wie z. B. Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Elektronenstrahlschneiden, usw. vereinzelt, und man hier beliebige Formen, z. B. auch eine Kreisform, erzielen kann, so kann eine sechseckige Form ohne Verschnitt vollständig aus der Folie gesägt werden, ähnlich einem Bienenwaben-Muster. Die sechseckige Form kann dann allerdings nicht mehr mit geraden Schnitten ausgeschnitten werden.
Wie die oben erläuterten Simulationen gezeigt haben, hat das sechseckige Piezo-Element einen fast so großen Hub und Blockierdruck wie ein kreisförmiges modellhaftes Piezo-Element. Wenn die Fläche der Piezokeramik einen Kostenfaktor darstellt, also der Verschnitt reduziert oder vermieden werden soll, und eine Strahlschneidetechnologie zur Verfügung steht, dann ist es vorteilhaft, aus der Folie sechseckförmige Piezokeramiken zu vereinzeln, um Verschnitt zu vermeiden.
Auch achteckige Strukturen können mit geraden Schnitten aus einer Folie gesägt werden, allerdings steigt dann der Verschnitt von 25% (bei Sechseck) auf 50% (bei Achteck) an.
Auch größere regelmäßige Polygone, d. h. Polygone mit mehr als acht Ecken, und vorzugsweise mit gerader Eckenzahl, können mit noch größerem Verschnitt gesägt werden.
Je größer die Polygonzahl, desto genauer kann man eine Kreisform abbilden.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/107162 A1 [0003, 0010]
DE 10238600 A1 [0120]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Pumpe (100, 200, 400, 500), bei der ein Piezo-Membranwandler (101) an einem Pumpenkörper (120, 170) angebracht ist, wobei das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen einer Piezokeramikschicht (51), Vereinzeln von mindestens einem Piezo-Element (53, 83, 210) aus der Piezokeramikschicht (51), sodass das mindestens eine Piezo-Element (53, 83, 210) eine regelmäßige polygonale Form mit mindestens sechs Ecken aufweist, und Bilden des Piezo-Membranwandlers (101) durch Anbringen des Piezo-Elements (53, 83, 210) an einer Pumpenmembran (110).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Anbringens des Piezo-Elements (53, 83, 210) an der Pumpenmembran (110) zum Bilden des Piezo-Membranwandlers (101) nach einem Schritt eines Anbringens der Pumpenmembran (110) an dem Pumpenkörper (120, 170) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Anbringens des Piezo-Elements (53, 83, 210) an der Pumpenmembran (110) zum Bilden des Piezo-Membranwandlers (101) vor einem Schritt eines Anbringens der Pumpenmembran (110) an dem Pumpenkörper (120, 170) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vereinzeln des mindestens einen Piezo-Elements (53, 83, 210) aus der Piezokeramikschicht (51) derart geschieht, dass das mindestens eine Piezo-Element (53, 83, 210) eine geradzahlige Polygoneckenzahl aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vereinzeln des mindestens einen Piezo-Elements (53, 83, 210) aus der Piezokeramikschicht (51) derart erfolgt, dass das mindestens eine Piezo-Element (53, 83, 210) mindestens acht Ecken aufweist
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Vereinzeln des Piezo-Elements (53, 83, 210) das Piezo-Element (53, 83, 210) aus der Piezokeramikschicht (51) in geraden Schnitten entlang eines definierten Sägemusters (52, 80) ausgesägt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei dem Vereinzeln des Piezo-Elements (53, 83, 210) das Piezo-Element (53, 83, 210) aus der Piezokeramikschicht (51) entlang eines definierten Schnittmusters (52, 80) mittels eines Strahlschneideverfahrens ausgeschnitten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Piezokeramikschicht (51) eine polarisierte Piezokeramikfolie ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (110) vorgespannt wird, sodass die Membran (110) in einem unbetätigten Zustand zumindest abschnittsweise von dem Pumpenkörper (120, 170) beabstandet ist und dieser beabstandete Bereich eine in Draufsicht ringförmige Pumpkammer (102) bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner das Ausbilden einer in Draufsicht ringförmigen Pumpkammer (102) in der Pumpe (100, 200, 400, 500) aufweist, wobei die Pumpkammer (102) derart ausgebildet wird, dass deren äußerer Umfang zu einem äußeren Umfang des Pumpenkörpers (120, 170) um einen Abstand B_P beabstandet ist, sodass der Abstand B_P an der geringsten Stelle höchstens 300 μm, oder höchstens 200 μm, oder höchstens 100 μm beträgt.
Pumpe (100, 200, 400, 500) mit einem an einem Pumpenkörper (120, 170) der Pumpe angeordneten Piezo-Membranwandler (101), wobei der Piezo-Membranwandler (101) ein aus einer Piezokeramikschicht (51) hergestelltes und an einer Membran (110) angeordnetes Piezo-Element (53, 83, 210) aufweist, und das Piezo-Element (53, 83, 210) eine regelmäßige polygonale Form mit mindestens sechs Ecken aufweist.
Pumpe (100, 200, 400, 500) nach Anspruch 11, wobei das Piezo-Element (53, 83, 210) eine geradzahlige Polygoneckenzahl aufweist.
Pumpe (100, 200, 400, 500) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Piezo-Element (53, 83, 210) mindestens acht Ecken aufweist.
Pumpe (100, 200, 400, 500) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Piezo-Element (53, 83, 210) eine Dicke von 100 μm oder weniger aufweist.
Pumpe (100, 200, 400, 500) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Pumpe eine Mikromembranpumpe ist, deren Pumpenkörper (120, 170) als ein Metall aufweisender oder ein Halbleitermaterial aufweisender Chip ausgebildet ist.
Pumpe (100, 200, 400, 500) nach Anspruch 15, wobei der Pumpenkörper (120, 170) eine Abmessung von 7 × 7 mm² oder kleiner, oder eine Abmessung von 3,5 × 3,5 mm² oder kleiner, oder eine Abmessung von 2 × 2 mm² oder kleiner aufweist.
Pumpe (100, 200, 400, 500) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Pumpe eine in Draufsicht ringförmige Pumpkammer (102) aufweist, deren äußerer Umfang zu einem äußeren Umfang des Pumpenkörpers (120, 170) um einen Abstand B_P beabstandet ist, sodass der Abstand B_P an der geringsten Stelle höchstens 300 μm, oder höchstens 200 μm, oder höchstens 100 μm, oder höchstens 50 μm oder weniger beträgt.