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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe mit einem Membranaktor, insbesondere mit einem als Biegewandler ausgestalteten Membranaktor, eine Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors während der Herstellung einer Mikropumpe sowie eine Mikropumpe mit einem Membranaktor, insbesondere mit einem als Biegewandler ausgestalteten Membranaktor.
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Mikropumpen sind sehr kleine Pumpen, die Abmessungen im Mikrometerbereich aufweisen. Deren Fertigung weicht deutlich von makroskopischen Pumpen ab. Mikropumpen können beispielsweise in MEMS-Technologie gefertigt werden. Derartige Mikropumpen weisen in der Regel auslenkbare Membranen auf, die mittels Membranaktoren ausgelenkt werden können. Durch die Auslenkung der Membran wird ein Hub der Mikropumpe erzeugt. Da der Membranaktor hierbei die Membran verbiegt, können derartige Membranaktoren auch als Biegewandler bezeichnet werden. Bekannt sind beispielsweise Biegewandler, die nach dem piezoelektrischen Prinzip funktionieren.
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Mikropumpen mit Biegewandlern (z.B. Piezokristalle) zum Auslenken der Pumpmembran können, unabhängig davon ob die Mikropumpen aus Metall, Silizium oder anderen Materialien gefertigt sind, nur dann ihre volle Leistung entfalten, wenn das Totvolumen minimiert wird.
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Dazu muss bei derartigen Mikropumpen, die mit Biegewandlern betrieben werden, eine mechanische Vorspannung des Biegewandlers (z.B. Piezokristalls) erfolgen, damit dieser seinen optimalen Hub erreichen kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die
EP 2 542 810 B1 eine mechanische Vorspannung des Biegewandlers (Piezokristalls) durch Anlegen einer elektrischen Spannung vor. Dies hat jedoch folgende Nachteile:
- • Die maximale elektrische Vorspannung ist durch die Durchbruchspannung des Piezokristalls auf ca. 2 MV/cm begrenzt.
- • Die Spannungszuführung und Kontaktierung sind bei großen Feldern (Arrays), die für eine kostengünstige Produktion erforderlich sind, aufwändig und fehleranfällig.
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Die
DE 10 2013 202 223 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Dekorverbunds bestehend aus einer Dekorschicht mit Öffnungen und einer auf der Dekorschicht angeordneten Folie. Die Folie wird mittels eines Laser- und/oder Warmluftstrahls verformt, sodass sich die Folie durch eine Öffnung in der Dekorschicht hindurch erstreckt.
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Die
EP 0 371 425 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung tiefgezogener Kunststoff-Formteile. Hierfür wird eine Kunststofffolie in ein Formwerkzeug eingelegt und mit Druck beaufschlagt, sodass sich die Kunststofffolie plastisch verformt. Dies führt zu kreisrunden, konzentrischen und ineinander angeordneten Abschnitten, die in Tiefenrichtung zueinander versetzt sind. Darin können beispielsweise Drehregler für die Lüftungssteuerung in einem Fahrzeug platziert werden.
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Es wäre wünschenswert, bei der Herstellung einer Mikropumpe eine mechanische Vorspannung des Biegewandlers mit Hilfe eines Verfahrens zu erzielen, das nicht den genannten Restriktionen unterliegt.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestehende Werkzeuge und Verfahren zum Herstellen von Mikropumpen mit Membranaktoren dahingehend zu verbessern, dass die Membranaktoren bei der Herstellung auf einfache Art und Weise mechanisch vorgespannt werden können, und das Verfahren gleichzeitig kostengünstig und massenfertigungstauglich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine in diesem Verfahren verwendbare Haltevorrichtung (Werkzeug) mit den Merkmalen von Anspruch 10 vorgeschlagen. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe beinhaltet unter anderem einen Schritt eines Bereitstellens eines Substrats, wobei das Substrat mindestens eine Pumpmembran für die Mikropumpe aufweist. Das Substrat kann ein einzelner beziehungsweise vereinzelter Mikropumpenchip mit einer Pumpmembran sein. Alternativ kann das Substrat ein Wafer sein, der ein oder mehrere Mikropumpenstrukturen mit je einer Pumpmembran aufweist, wobei diese nach erfolgter Prozessierung vereinzelt werden. Das Verfahren weist ferner einen Schritt eines Bereitstellens eines Membranaktors auf, der ausgestaltet ist, um die Pumpmembran zu bewegen beziehungsweise auszulenken. Der Membranaktor wird hierbei in eine Haltevorrichtung eingelegt. Des weiteren beinhaltet das Verfahren einen Schritt eines Ausrichtens der Haltevorrichtung relativ zu dem Substrat derart, dass der Membranaktor der Pumpmembran gegenüberliegend angeordnet ist. Das Ausrichten der Haltevorrichtung kann vor oder nach dem Einlegen des Membranaktors in die Haltevorrichtung geschehen. Vor oder nach dem Ausrichten der Haltevorrichtung, in welcher der Membranaktor angeordnet ist, wird die Pumpmembran in Richtung des Membranaktors ausgelenkt, und zwar mittels eines relativ zum Umgebungsdruck höheren Fluiddrucks. Das heißt, ein mit Druck beaufschlagtes Fluid weist einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck auf. Das hierbei einsetzbare Fluid kann vorzugsweise ein Gas, insbesondere Druckluft, aber auch eine Flüssigkeit sein. Das Verfahren beinhaltet ferner einen Schritt eines Befestigens des Membranaktors an der Pumpmembran. Dabei kann der Membranaktor an der mittels des Fluiddrucks ausgelenkten Pumpmembran befestigt werden, oder der Membranaktor kann auf der noch unausgelenkten Pumpmembran befestigt werden, wobei anschließend die Pumpmembran zusammen mit dem daran befestigten Membranaktor mittels des Fluiddrucks ausgelenkt werden können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Membranaktor derart in der Haltevorrichtung angeordnet werden, dass er eine kuppelförmige Verformung bildet, die sich in dieselbe Richtung wölbt wie die ausgelenkte Pumpmembran, wodurch der verformte Membranaktor mechanisch vorgespannt wird. Das heißt, sowohl die Pumpmembran als auch der Membranaktor weisen jeweils eine kuppelförmige Verformung auf, die sich beide in dieselbe Richtung wölben. Vorzugsweise weisen die beiden kuppelförmigen Verformungen etwa dieselben Maße auf. So kann der kuppelförmig mechanisch vorgespannte Membranaktor auf der kuppelförmig ausgelenkten Membran angeordnet werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Anordnens des Membranaktors in die Haltevorrichtung ein Einlegen des Membranaktors in die Haltevorrichtung und ein Ausüben einer mechanischen Kraft auf den Membranaktor aufweisen, sodass sich der in die Haltevorrichtung eingelegte Membranaktor, in einer Richtung von der Pumpmembran weg, verformt und dadurch mechanisch vorgespannt wird. Das heißt, der Membranaktor kann beispielsweise mittels einer Druckkraft in die Haltevorrichtung hineingedrückt, oder aber auch mittels einer Zugkraft in die Haltevorrichtung hinein gezogen werden. Durch das Ausüben der entsprechenden Kraft verformt sich der Membranaktor und wird dadurch mechanisch vorgespannt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Anordnens des Membranaktors in die Haltevorrichtung ein Erzeugen eines Unterdrucks zwischen der Haltevorrichtung und dem Membranaktor aufweisen, wodurch der Membranaktor in der Haltevorrichtung mittels des Unterdrucks angesaugt wird und sich, in einer Richtung von der Pumpmembran weg, verformt und dabei mechanisch vorgespannt wird. Ein solcher Unterdruck kann beispielsweise mittels einer Vakuumpumpe oder ähnlichem erzeugt werden. Hierfür kann die Haltevorrichtung beispielsweise Öffnungen bzw. Löcher aufweisen, durch die die Luft zwischen der Haltevorrichtung und dem darin angeordneten Membranaktor evakuiert werden kann. Dadurch wird der Membranaktor angesaugt und sozusagen in die Haltevorrichtung gesaugt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Anordnens des Membranaktors in die Haltevorrichtung ein Anlegen einer elektrischen Spannung an den Membranaktor aufweisen, sodass sich dieser, in einer Richtung von der Pumpmembran weg, verformt und dabei mechanisch vorgespannt wird. Dies gilt insbesondere für Membranaktoren, die elektrisch verformbar sind, wie beispielsweise Piezoaktoren. Vorzugsweise kann das Anlegen der Spannung an den Membranaktor in Kombination mit dem vorgenannten Unterdruck zum Ansaugen des Membranaktors in die Haltevorrichtung erfolgen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Pumpmembran mittels des Fluiddrucks so weit in Richtung des Membranaktors ausgelenkt werden, dass sich die Pumpmembran an den in der Haltevorrichtung eingelegten und verformten sowie mechanisch vorgespannten Membranaktor anschmiegt. Das heißt, die ausgelenkte Membran weist vorzugsweise etwa dieselbe Verformung mit etwa denselben Abmessungen auf wie der mechanisch vorgespannte Membranaktor. Beide können beispielsweise eine kuppelförmige Wölbung aufweisen. Dies kann dadurch geschehen, dass die Pumpmembran so weit ausgelenkt wird, bis sie sich in die gegenüberliegende Haltevorrichtung hinein wölbt und sich an diese anschmiegt. Die Pumpmembran nimmt dabei die Form der Haltevorrichtung an. Zwischen der Haltevorrichtung und der Pumpmembran ist der Membranaktor angeordnet, sodass sich die ausgelenkte Pumpmembran direkt an den Membranaktor anschmiegt und dabei nicht nur an die Form der Haltevorrichtung sondern gleichzeitig auch an die Form des Membranaktors anpasst.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Pumpmembran mittels des Fluiddrucks derart in Richtung des Membranaktors ausgelenkt werden, dass die Pumpmembran den in der Haltevorrichtung eingelegten Membranaktor berührt und die Pumpmembran und der Membranaktor gemeinsam ausgelenkt werden, wobei sich der Membranaktor verformt und mechanisch vorgespannt wird. Das heißt, der Membranaktor kann zwar bereits in der Haltevorrichtung angeordnet sein, aber dabei noch nicht verformt sein. Die Pumpmembran kann, während sie ausgelenkt wird, den Membranaktor berühren und diesen mit auslenken. Die Pumpmembran bläht sich sozusagen wie ein Luftballon auf und nimmt dabei den Membranaktor mit. Die Pumpmembran und der Membranaktor werden durch die gemeinsame Auslenkung in die Haltevorrichtung hinein gedrückt und können dabei die Form der Haltevorrichtung annehmen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Bereitstellens des Substrats ein Anordnen des Substrats auf einem Substrathalter, ein Bereitstellen einer fluiddichten Verbindung zwischen dem Substrat und dem Substrathalter, und ein Bereitstellen einer fluidischen Verbindung zwischen dem Substrathalter und der Pumpmembran, sowie ein Erzeugen des Fluiddrucks innerhalb der fluidischen Verbindung aufweisen, sodass das unter Druck stehende Fluid durch die fluidische Verbindung hindurch zu der Pumpmembran strömt und die Pumpmembran mittels des Fluiddrucks in Richtung des Membranaktors ausgelenkt wird. Die fluiddichte Verbindung zwischen dem Substrathalter und dem Substrat kann beispielsweise mittels umlaufenden Dichtungen, zum Beispiel Gummiringdichtungen, erfolgen. Somit kann Druckluft zwischen das Substrat und dem Substrathalter eingebracht werden. Außerdem kann das Substrat Fluidkanäle aufweisen, die sich von einer dem Substrathalter zugewandten Seite bis zur Pumpmembran erstrecken. Somit kann eine fluidische Verbindung zwischen dem Substrathalter und der Pumpmembran hergestellt werden. Die Druckluft zwischen dem Substrathalter und dem Substrat kann dadurch zu der Pumpmembran strömen und diese auslenken.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Fluiddruck einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck von 0,5 bar bis 5 bar, oder von 0,5 bar bis 3 bar, oder von 1 bar bis 2 bar aufweisen. Ein Überdruck bis zu 5 bar kann vorteilhaft sein, um beispielsweise verhältnismäßig starre metallische Pumpmembranen auszulenken. Flexiblere Pumpmembranen, wie beispielsweise Pumpmembranen aus Silizium, können bereits mit einem Überdruck von etwa 1 bar bis 2 bar ausreichend stark ausgelenkt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Befestigens des Membranaktors an der Pumpmembran ein Anordnen eines Fügemittels auf die dem Membranaktor zugewandten Seite der Pumpmembran und/oder auf die der Pumpmembran zugewandten Seite des Membranaktors aufweisen. Bei dem Fügemittel kann es sich beispielsweise um Klebstoff, insbesondere um einen thermisch aktivierbaren Klebstoff, oder auch um ein Lot handeln. Letzteres kann insbesondere bei aus Silizium gefertigten Pumpmembranen verwendet werden, um den Membranaktor an die Siliziummembran zu bonden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fügemittel ein thermisch aushärtbares Fügemittel sein, und der Schritt des Befestigens des Membranaktors an der Pumpmembran kann ein Erhitzen des Membranaktors und/oder der Pumpmembran bis unterhalb der Curie-Temperatur des Membranaktors zum thermischen Aktivieren des Fügemittels aufweisen. Insbesondere kann etwa bis 20% oder sogar bis zu 10% unterhalb der Curie-Temperatur erhitzt werden. Das Erhitzen kann beispielsweise mittels einer Heizvorrichtung in der Haltevorrichtung erfolgen. Hierfür wäre es denkbar, Heizdrähte oder ähnliches, an der Haltevorrichtung anzuordnen. Durch Erhitzen der Heizvorrichtung können der darin angeordnete Membranaktor und auch die am Membranaktor anliegende Pumpmembran gemeinsam erhitzt werden. Dadurch wird das zwischen dem Membranaktor und der Pumpmembran angeordnete Fügemittel aktiviert und es kommt zu einer Verbindung zwischen dem Membranaktor und der Pumpmembran.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Bereitstellens des Substrats ein Bereitstellen eines als Wafer ausgestalteten Substrats aufweisen, wobei der Wafer eine Vielzahl von Pumpmembranen für eine entsprechende Vielzahl von Mikropumpen aufweist, die mittels das Verfahrens zeitlich parallel im Waferverbund herstellbar sind. Das heißt, das Substrat kann ein Wafer bzw. ein Wafersubstrat sein. In dem Wafer können eine Vielzahl, also mindestens zwei, vorzugsweise 30 und mehr, und insbesondere 32 oder 36 einzelne Mikropumpenkörper bzw. Mikropumpenstrukturen mit je einer Pumpmembran vorgesehen sein. Aus jeder Mikropumpenstruktur kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens je eine Mikropumpe hergestellt werden, d.h. an jeder Pumpmembran kann jeweils ein Membranaktor in der hierin beschriebenen Weise angeordnet werden. Der Vorteil liegt darin, dass die hierin beschriebenen Verfahrensschritte zeitlich parallel im Waferverbund bzw. auf Waferebene durchführbar sind, sodass nicht nur eine einzelne Mikropumpe sondern eine Vielzahl von Mikropumpen gleichzeitig herstellbar ist. Die dadurch herstellbaren Mikropumpen können anschließend aus dem Wafer vereinzelt werden, sodass einzelne Mikropumpenchips erhältlich sind.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein geeignetes Werkzeug, um das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Dementsprechend wird eine erfindungsgemäße Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors während der Herstellung einer Mikropumpe vorgeschlagen. Die Haltevorrichtung weist unter anderem eine erste Aussparung mit einem ersten Durchmesser auf, wobei die erste Aussparung einen Randbereich aufweist, an dem der Membranaktor anordenbar ist, und wobei der Membranaktor zumindest teilweise in die erste Aussparung hinein auslenkbar ist. Das heißt, der Membranaktor kann am Rand bzw. an den Rändern der ersten Aussparung angeordnet werden, sodass sich der Membranaktor nur an diesem Randbereich abstützt. Im Bereich der ersten Aussparung selbst liegt der Membranaktor frei auf, d.h. dort ist der Membranaktor nicht gestützt. Somit kann sich der Membranaktor, wenn dieser ausgelenkt wird, in die erste Aussparung hinein erstrecken. Dabei kann der Membranaktor eine Verformung in Gestalt einer kuppelförmigen Wölbung ausbilden. Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung weist außerdem eine zweite Aussparung mit einem zweiten Durchmesser auf, wobei die zweite Aussparung einen Randbereich aufweist, an dem eine Pumpmembran der Mikropumpe anordenbar ist, und wobei die Pumpmembran zumindest teilweise in die zweite Aussparung hinein auslenkbar ist. Das heißt, die Pumpmembran kann am Rand bzw. an den Rändern der zweiten Aussparung angeordnet werden, sodass sie sich nur an diesem Randbereich abstützt. Im Bereich der zweiten Aussparung selbst liegt die Pumpmembran frei auf, d.h. dort ist die Pumpmembran nicht gestützt. Somit kann sich die Pumpmembran, wenn diese ausgelenkt wird, in die zweite Aussparung hinein erstrecken. Dabei kann die Pumpmembran eine Verformung in Gestalt einer kuppelförmigen Wölbung ausbilden. Erfindungsgemäß ist der erste Durchmesser der ersten Aussparung kleiner als der zweite Durchmesser der zweiten Aussparung, und die erste Aussparung ist innerhalb der zweiten Aussparung angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, dass sowohl die Pumpmembran als auch der Membranaktor gleichzeitig in der Haltevorrichtung bearbeitet werden können. Dadurch dass sich die Pumpmembran und der Membranaktor jeweils nur an den Rändern der ersten bzw. zweiten Aussparung abstützen, kann die Pumpmembran bzw. der Membranaktor einfach ausgelenkt werden, beispielsweise durch Überdruck, der auf die Pumpmembran bzw. den Membranaktor wirkt, sodass dieser Überdruck die Pumpmembran bzw. den Membranaktor in die jeweilige Aussparung hineindrückt. Die Aussparung kann bodenlos ausgeführt sein, d.h. in etwa vergleichbar mit einem Rohr, wobei die Pumpmembran bzw. der Membranaktor in das Rohr hinein ausgelenkt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung ist die zweite Aussparung in radialer Richtung innerhalb der ersten Aussparung angeordnet. Dies wäre demnach vergleichbar mit zwei ineinander geschachtelten Rohren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Randbereich der ersten Aussparung in einer Tiefenrichtung, in der die Pumpmembran und/oder der Membranaktor in die jeweilige Aussparung hinein auslenkbar sind, von dem Randbereich der zweiten Aussparung beabstandet sein. Das heißt, während die zweite Aussparung in radialer Richtung innerhalb der ersten Aussparung angeordnet ist, kann der Randbereich der zweiten Aussparung in axialer Richtung von der ersten Aussparung beabstandet sein. Vorzugsweise kann dabei der Randbereich der zweiten Aussparung nach innen versetzt sein, d.h. der Randbereich der zweiten Aussparung kann von dem Randbereich der ersten Aussparung beabstandet sein, und zwar in einer Richtung, die der Richtung der Verformung bzw. Auslenkung der Pumpmembran bzw. des Membranaktors entspricht.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Randbereich der ersten Aussparung relativ zu dem Randbereich der zweiten Aussparung bewegbar angeordnet sein, sodass eine Beabstandung, in Tiefenrichtung, zwischen dem Randbereich der ersten Aussparung und dem Randbereich der zweiten Aussparung variierbar ist. Das heißt, der vorgenannte axiale Versatz zwischen dem Randbereich der ersten Aussparung und dem Randbereich der zweiten Aussparung kann durch die Beweglichkeit der beiden Randbereiche relativ zueinander einstellbar sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Beabstandung, in der Tiefenrichtung, zwischen dem Randbereich der ersten Aussparung und dem Randbereich der zweiten Aussparung derart gewählt sein, dass eine am Randbereich der zweiten Aussparung angeordnete Pumpmembran in einem ausgelenkten Zustand einen am Randbereich der ersten Aussparung angeordneten Membranaktor berührt. Das heißt, vorzugsweise ist der axiale Versatz so gewählt, dass die Pumpmembran in einem nicht ausgelenkten Zustand den Membranaktor nicht berührt, und dass die Pumpmembran in ihrem ausgelenkten Zustand den Membranaktor berührt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Randbereich der ersten Aussparung und/oder der Randbereich der zweiten Aussparung ringförmig ausgebildet sein. Ein ringförmiger Randbereich kennzeichnet sich dadurch, dass dieser einen geschlossenen Ring bildet. Die geometrische Form des ringförmigen Randbereichs kann rund oder eckig sein. Vorzugsweise können der Randbereich der ersten Aussparung und/oder der Randbereich der zweiten Aussparung kreisrund und ringförmig ausgebildet sein. Dadurch lassen sich die Pumpmembran bzw. der Membranaktor vollständig und besonders vorteilhaft an den Randbereichen anordnen und in die Aussparung hinein auslenken.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Haltevorrichtung eine Vielzahl von ersten Aussparungen und eine Vielzahl von zweiten Aussparungen aufweisen, wobei die Haltevorrichtung ausgestaltet sein kann, um eine Vielzahl von Membranaktoren während der Herstellung einer entsprechenden Vielzahl von Mikropumpen auf Waferebene zu halten. Das heißt, die erfindungsgemäße Haltevorrichtung ist ausgestaltet, um Wafer mit einer Vielzahl von Mikropumpenstrukturen zu prozessieren. Somit kann mittels der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung eine Vielzahl von Mikropumpen auf Waferebene hergestellt werden. Dabei kann die Haltevorrichtung eine Vielzahl von Membranaktoren halten, sodass jeder Membranaktor auf jeweils einer Pumpmembran einer entsprechenden Vielzahl von Mikropumpenstrukturen angeordnet werden kann.
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Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2A eine seitliche Schnittansicht einer Mikropumpe, die unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar ist,
- 2B eine weitere seitliche Schnittansicht einer Mikropumpe, die unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar ist,
- 3A eine seitliche Schnittansicht eines auf einem Substrathalter angeordneten Substrats und einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 3B eine weitere seitliche Schnittansicht eines auf einem Substrathalter angeordneten Substrats und einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 4 eine weitere seitliche Schnittansicht eines auf einem Substrathalter angeordneten Substrats und einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 5A eine Draufsicht auf die Unterseite einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 5B eine seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
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Außerdem wird hierin ein Piezoaktor als ein nicht limitierendes Beispiel für einen auslenkbaren Membranaktor beschrieben. Da die Verformung bzw. die mechanische Vorspannung des Membranaktors erfindungsgemäß nicht primär durch das Anlegen einer elektrischen Spannung, wie im Stand der Technik beschrieben, geschieht, können auch andere Arten von Membranaktoren genutzt werden.
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Außerdem wird nachfolgend die erfindungsgemäße Haltevorrichtung auch exemplarisch als ein Werkzeug bezeichnet.
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1 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Mikropumpe. Eine solche Mikropumpe weist Abmessungen im Mikrometerbereich auf und kann beispielsweise in MEMS-Bauweise gefertigt sein.
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In Block 1010 wird ein Substrat bereitgestellt, das mindestens eine Pumpmembran für die Mikropumpe aufweist. Das Substrat kann beispielsweise ein Wafer sein. Der Wafer kann beispielsweise Silizium aufweisen beziehungsweise aus Silizium gefertigt sein.
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In Block 1011 wird ein Membranaktor zum Bewegen der Pumpmembran bereitgestellt und dieser Membranaktor wird in einer Haltevorrichtung angeordnet, beispielsweise in diese eingelegt.
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In Block 1012 wird die Haltevorrichtung relativ zu dem Substrat derart ausgerichtet, dass der Membranaktor der Pumpmembran gegenüberliegend angeordnet ist.
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In Block 1013 wird die Pumpmembran in Richtung des Membranaktors ausgelenkt, und zwar mittels eines relativ zum Umgebungsdruck höheren Fluiddrucks. Der Fluiddruck wirkt dabei direkt auf die Pumpmembran und lenkt diese zu dem Membranaktor hin aus, sodass sich die Pumpmembran, bedingt durch den Fluiddruck, in Richtung des Membranaktors bewegt. Das den Fluiddruck erzeugende Fluid kann vorzugsweise ein Gas, oder alternativ eine Flüssigkeit sein.
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In einem weiteren Schritt wird der Membranaktor an der Pumpmembran befestigt. Dieser Schritt kann nach dem Auslenken der Pumpmembran erfolgen, sodass der Membranaktor an der ausgelenkten Pumpmembran befestigt wird. Dieser Schritt kann allerdings auch vor dem Auslenken der Pumpmembran erfolgen, sodass die Pumpmembran anschließend gemeinsam mit dem daran befestigten Membranaktor ausgelenkt wird. Ziel hierbei ist es, den Membranaktor und/oder die Pumpmembran mechanisch vorzuspannen.
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Die 2A und 2B zeigen eine gegenständliche Abbildung einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mikropumpe 21. Die Mikropumpe 21 weist ein Substrat 22 auf. Das Substrat 22 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein.
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In dem Substrat 22 ist eine Pumpenkammer 23 ausgebildet. Das Substrat 21 weist ferner einen Einlass 24 und einen Auslass 25 auf, die beide in die Pumpenkammer 23 münden. Durch den Einlass 24 kann ein Fluid in die Pumpenkammer 23 strömen. Durch den Auslass 25 kann das Fluid die Pumpenkammer 23 wieder verlassen.
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Auf einer Oberseitenfläche 26 des Substrats 22 ist eine Pumpmembran 27 angeordnet. Die Pumpmembran 27 ist der Pumpenkammer 23 gegenüberliegend angeordnet. Die Pumpmembran 27 ist beweglich beziehungsweise flexibel. Auf einer dem Substrat 22 abgewandten Seite der Pumpmembran 27 ist ein Membranaktor 28 an der Pumpmembran 27 angeordnet. Der Membranaktor 28 ist ausgestaltet, um die Pumpmembran 27 zu betätigen, d.h. auszulenken.
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Lenkt der Membranaktor 28 die Pumpmembran 27 nach oben, d.h. in eine Richtung von dem Substrat 22 weg, aus (2B) so führt die Mikropumpe 21 einen Saughub aus und saugt Fluid durch den Einlass 24 an. Im Saughub weisen die Pumpmembran 27 und der Membranaktor 28 eine kuppelförmige Verformung auf. Lenkt der Membranaktor 28 die Pumpmembran 27 nach unten, d.h. in eine Richtung zu dem Substrat 22 hin, aus ( 2A) so führt die Mikropumpe 21 einen Druckhub aus und stößt das angesaugte Fluid durch den Auslass 25 aus.
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In einem unbetätigten Zustand befindet sich die Mikropumpe 21 in der in 2B dargestellten Position. Dabei ist der Membranaktor 28 mechanisch vorgespannt, sodass der Membranaktor 28 die Membran 27 in einer Richtung von dem Substrat 22 weg auslenkt.
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Bei der Herstellung der Mikropumpe 21 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der oben beschriebene Pumpmechanismus umgekehrt werden. Das heißt, ein in der Pumpenkammer 23 befindliches Fluid kann die Pumpmembran 27 auslenken. Wenn das Fluid einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck höheren Druck aufweist, dann wird die Pumpmembran 27 in eine Richtung von dem Substrat 22 weg ausgelenkt, sodass die Pumpmembran 27 und der Membranaktor 28 die zuvor erwähnte kuppelförmige Verformung aufweisen.
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Die 3A und 3B zeigen eine gegenständliche Darstellung eines Werkzeugs, das für die Massenfertigung von Mikropumpen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden kann. Hierbei handelt es sich lediglich um ein nicht limitierendes Beispiel einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung.
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In 3A ist ein Substrathalter 31 abgebildet. Der Substrathalter 31 kann beispielsweise ein Waferhalter, zum Beispiel ein sogenannter Chuck, sein. Das Substrat 22 kann dementsprechend ein Wafersubstrat sein, wobei mehrere Mikropumpenstrukturen der vorgenannten Art in dem Wafersubstrat ausgebildet sein können, die anschließend als Mikropumpenchips vereinzelt werden können. In 3A ist beispielhaft die Mikropumpe 21 gezeigt.
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Das Substrat 22 ist an dem Substrathalter 31 angeordnet. Zwischen dem Substrat 22 und dem Substrathalter 31 ist eine Dichtung 32 angeordnet, die eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Substrat 22 und dem Substrathalter 31 bereitstellt. Die Dichtung 32 kann beispielsweise eine Gummidichtung sein. Die Dichtung 32 kann beispielsweise vollständig umlaufend ausgebildet sein.
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Der Substrathalter 31 kann eine Aussparung 34 aufweisen. In der Aussparung 34 können Stützstrukturen 33 vorgesehen sein, um das Substrat 22 mechanisch abzustützen und zu stabilisieren. Die Aussparung 34 kann zumindest in einem Bereich der Ein- und Auslässe 24, 25 der jeweiligen Mikropumpe 21 vorgesehen sein. Außerdem kann der Substrathalter 31 einen Fluidanschluss 35 aufweisen, der in die Aussparung 34 mündet. Wenn das Substrat 22 auf dem Substrathalter 31 angeordnet ist, so kann die Aussparung 34 einen Zwischenraum zwischen dem Substrathalter 31 und dem darauf angeordneten Substrat 22 bilden.
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Durch den Fluidanschluss 35 kann ein Fluid, symbolisiert durch den Pfeil 36, in die Aussparung 34 einströmen. Das Fluid 36 kann dementsprechend durch die Aussparung 34 und durch den Einlass 24 der Mikropumpe 21 in die Pumpenkammer 23 der Mikropumpe 21 strömen, sodass das Fluid 36 die Pumpmembran 27 auslenken kann. Es wird demnach eine fluidische Verbindung zwischen dem Substrathalter 31 und der Pumpmembran 27 bereitgestellt.
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Wie nachfolgend näher beschrieben wird, kann innerhalb dieser fluidischen Verbindung ein Überdruck erzeugt werden, sodass das unter Druck stehende Fluid 36 durch die fluidische Verbindung hindurch zu der Pumpmembran 27 strömt und die Pumpmembran 27 mittels des Fluiddrucks in Richtung des Membranaktors 28 ausgelenkt wird.
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Der Fluiddruck kann hierbei einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck von 0,5 bar bis 5 bar, oder von 0,5 bar bis 3 bar, oder von 1 bar bis 2 bar aufweisen.
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In 3A ist ein erfindungsgemäße Haltevorrichtung 38 abgebildet. Die Haltevorrichtung 38 ist ausgestaltet, um einen Membranaktor 28 beim Herstellen einer Mikropumpe 21 zumindest temporär zu halten.
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In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel kann der Membranaktor 28 derart in der Haltevorrichtung 38 angeordnet werden, dass er eine kuppelförmige Verformung bildet, die sich in dieselbe Richtung wölbt wie die Pumpmembran 27, wenn diese, wie zuvor beschrieben, zum Beispiel mittels eines Fluiddrucks ausgelenkt wird. Durch die kuppelförmige Verformung, die auch als Wölbung bezeichnet werden kann, wird der derart verformte Membranaktor 28 mechanisch vorgespannt.
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Der Membranaktor 28 kann derart flexibel sein, dass er sich beim Einlegen in die Haltevorrichtung 38 von alleine wölbt, zum Beispiel wenn der Membranaktor 28 sehr dünn ausgeführt ist.
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Der Membranaktor 28 kann aber auch unter Ausübung einer mechanischen Kraft in die Haltevorrichtung 38 eingelegt werden. Beispielsweise kann der Membranaktor 28 in die Haltevorrichtung 38 hineingedrückt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann, wie in 3A schematisch abgebildet, ein gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck geringerer Unterdruck zwischen der Haltevorrichtung 38 und dem Membranaktor 28 erzeugt werden, wodurch der Membranaktor 28 in der Haltevorrichtung 38 mittels des Unterdrucks angesaugt wird und sich, in einer Richtung von der Pumpmembran 27 weg, verformt und dabei mechanisch vorgespannt wird. Dieser Unterdruck ist durch die Pfeile 40 symbolisiert. Hierfür kann die erfindungsgemäße Haltevorrichtung 38 einen Fluidanschluss 39 aufweisen, der in einen Kontaktbereich mündet, in welchem der Membranaktor 28 mit der Haltevorrichtung 38 in Kontakt kommt. Vorzugsweise kann eine Vakuumpumpe an dem Fluidanschluss 39 angeschlossen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann außerdem eine elektrische Spannung an den Membranaktor 28 angelegt werden, sodass sich dieser, in einer Richtung von der Pumpmembran 27 weg, verformt und dabei mechanisch vorgespannt wird.
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Die Haltevorrichtung 38 wird relativ zu dem Substrat 22 derart ausgerichtet, dass der darin eingelegte Membranaktor 28 einer an dem Substrat 22 angeordneten Pumpmembran 27 gegenüberliegt. Anschließend kann die Haltevorrichtung 38 nach unten, d.h. in Richtung des Substrats 22, verfahren werden, um den Membranaktor 28 und die Pumpmembran 27 in eine räumliche Nähe zueinander zu bringen. Dies ist in 3B dargestellt.
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Der mechanisch vorgespannte Membranaktor 28 liegt nun der Pumpmembran 27 gegenüber und wird nun mit der Pumpmembran 27 verbunden. Optional kann ein Fügemittel 27 zwischen dem Membranaktor 28 und der Pumpmembran 27 vorgesehen sein. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Klebstoff handeln.
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Wie eingangs erwähnt, kann die Pumpmembran 27 mittels des Fluiddrucks 36 so weit in Richtung des Membranaktors 28 ausgelenkt werden, dass sich die Pumpmembran 27 an den in der Haltevorrichtung 38 eingelegten und verformten sowie mechanisch vorgespannten Membranaktor 28 anschmiegt.
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Dies ist schematisch in 4 skizziert. Hier ist der Substrathalter 31, das daran angeordnete Substrat 22 und die dazwischen angeordnete Dichtung 32 zu sehen. Der Überdruck 36 gelangt durch den Einlass der jeweiligen Mikropumpenstruktur zu der jeweiligen Pumpmembran 27 und lenkt diese in einer Richtung von dem Substrat 22 weg aus.
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In der gegenüberliegend angeordneten Haltevorrichtung 38 sind die jeweiligen Membranaktoren 28 angeordnet. Sowohl die Pumpmembran 27 als auch der Membranaktor 28 weisen eine kuppelförmige Verformung, beziehungsweise Wölbung, auf. Nun kann anschließend daran die Haltevorrichtung 38 in Richtung des Substrats 22 verfahren werden, sodass sich die ausgelenkte Pumpmembran 27 an den in der Haltevorrichtung 38 eingelegten und verformten sowie mechanisch vorgespannten Membranaktor 28 anschmiegt.
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Bei dem in 3B gezeigten Beispiel kann die Reihenfolge von dem in 4 abgebildeten Beispiel abweichen. In 3B kann beispielsweise zuerst die Haltevorrichtung 38 in Richtung des Substrats 22 verfahren werden, sodass der darin eingelegte Membranaktor 28 einer noch nicht ausgelenkten Pumpmembran 27 gegenüberliegt. Im Anschluss daran kann dann die Pumpmembran 27 mittels des Überdrucks 36 ausgelenkt werden, sodass sich die ausgelenkte Pumpmembran 27 an den in der Haltevorrichtung 38 eingelegten und verformten sowie mechanisch vorgespannten Membranaktor 28 anschmiegt. Der Vorteil besteht darin, dass sich die ausgelenkte Pumpmembran 27 beim Verbinden mit dem Membranaktor 28 in der Haltevorrichtung 38 abstützen kann.
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In einer alternativen Ausführungsform ist es denkbar, dass der Membranaktor 28 zwar bereits in die Haltevorrichtung 38 eingelegt, aber noch nicht verformt und mechanisch vorgespannt ist. Stattdessen kann nur die Pumpmembran 27 aktiv ausgelenkt werden und dabei den Membranaktor 28 mitnehmen, d.h. der Membranaktor 28 wird passiv durch die Pumpmembran 27 ausgelenkt. Demnach kann also die Pumpmembran 27 mittels des Fluiddrucks 36 derart in Richtung des Membranaktors 28 ausgelenkt werden, dass die Pumpmembran 27 den in der Haltevorrichtung 38 eingelegten, aber noch nicht mechanisch vorgespannten, Membranaktor 28 berührt und die Pumpmembran 27 und der Membranaktor 28 gemeinsam ausgelenkt werden, wodurch sich der Membranaktor 28 verformt und mechanisch vorgespannt wird.
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Wie eingangs erwähnt, kann ein optionales Fügemittel 37 zwischen der Pumpmembran 27 und dem Membranaktor 28 vorgesehen sein. Das optionale Fügemittel 37 zum Zusammenfügen des verformten und mechanisch vorgespannten Membranaktors 28 mit der Pumpmembran 27 kann beispielsweise ein thermisch aushärtbarer Klebstoff sein. In diesem Fall kann die Haltevorrichtung 38 in einem Ausführungsbeispiel ein Mittel zum Erhitzen des Membranaktors 28 aufweisen. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung 38 Heizdrähte aufweisen mittels derer der Membranaktor 28 beheizt werden kann. Die in den Membranaktor 28 eingeleitete Wärme wird von dem Membranaktor 28 an das Fügemittel 37 abgegeben, welches daraufhin aushärtet. Dabei wird jedoch auch Wärme an die Pumpmembran 27 abgegeben.
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Die Mittel zum Erhitzen des Membranaktors 28 sollten dabei derart ausgestaltet sein, dass beim thermischen Aktivieren des Fügemittels 37 der Membranaktor 28 und/oder die Pumpmembran 27 lediglich bis unterhalb ihrer jeweiligen Curie-Temperatur erhitzt werden. Dadurch vermeidet man Schäden an der Pumpmembran 27 und insbesondere an dem Membranaktor 28, der dadurch seine mechanische Vorspannung verlieren kann.
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Das Fügemittel 37 kann auf der dem Membranaktor 28 zugewandten Seite der Pumpmembran 27 und/oder auf der der Pumpmembran 27 zugewandten Seite des Membranaktors 28 aufgebracht werden. Außerdem kann die Auslenkung der Pumpmembran 27 solange erfolgen bis das Fügemittel 37 ausgehärtet ist, um die mechanische Vorspannung des Membranaktors 28 dauerhaft zu realisieren.
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Außerdem kann das Auslenken der Pumpmembran 27 an einzelnen Mikropumpen passieren, oder auch im Waferverbund, das heißt bei einem Substrat 22, das mehrere noch nicht vereinzelte Mikropumpen aufweist, wie dies beispielhaft in den 3A und 3B gezeigt ist. Dabei können mehrere Membranaktor-Montagen parallel erfolgen. Dasselbe gilt für Kassetten in denen Mikropumpen parallel montiert werden.
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Wie in den 3A, 3B und 4 angedeutet ist, kann die Haltevorrichtung 38 eine Vertiefung aufweisen, in die der Membranaktor 28 sich einfügt. Diese Vertiefung kann als ein gewölbter Boden ausgeführt sein und eine Kugelkappenform aufweisen. Der Membranaktor 28 schmiegt sich an diesen gewölbten kugelkappenförmigen Boden an und nimmt somit die Form des gewölbten kugelkappenförmigen Bodens an. Dieser gewölbte kugelkappenförmige Boden kann auch als ein Kontaktabschnitt der Haltevorrichtung 38 bezeichnet werden, da der Membranaktor 28 an diesem Kontaktabschnitt mit der Haltevorrichtung 38 in Kontakt kommt.
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Die 5A und 5B zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 38. 5A zeigt eine Draufsicht auf die Haltevorrichtung 38 von unten, wobei kein Membranaktor eingelegt ist. 5B zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 38, wobei ein Membranaktor 28 in die Haltevorrichtung 38 eingelegt ist, und zwar während eines Verfahrensschritts, bei dem der eingelegte Membranaktor 28 mit einer Pumpmembran 27 verbunden wird. Zur nachfolgenden detaillierten Beschreibung der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 38 wird auf die 5A und 5B gleichzeitig verwiesen.
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Dieses Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 38 kann bodenlos ausgeführt sein, d.h. die Haltevorrichtung 38 weist keinen gewölbten kugelkappenförmigen Boden auf. Stattdessen kann die Haltevorrichtung 38 eine erste Aussparung 51a mit einem ersten Durchmesser D1 aufweisen, wobei die erste Aussparung 51a einen Randbereich 51b aufweist, an dem der Membranaktor 28 anordenbar ist. Die erste Aussparung 51a ist somit in etwa vergleichbar mit einem Rohrabschnitt.
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Außerdem ist der Membranaktor 28, wenn er an dem Randbereich 51b angeordnet ist, zumindest teilweise in die erste Aussparung 51a hinein auslenkbar. Dies ist insbesondere in 5B zu sehen. Hier wird der Membranaktor 28 zumindest teilweise in die erste Aussparung 51a hinein ausgelenkt. Dies kann zum Beispiel durch Ansaugen des Membranaktors 28 mittels Unterdruck 40 geschehen. Dabei stützt sich der Membranaktor 28 an dem Randbereich 51b der ersten Aussparung 51a ab, sodass der ausgelenkte Membranaktor 28 eine kuppelförmige Verformung, bzw. eine Wölbung, aufweist. Der Membranaktor 28 wird dadurch mechanisch vorgespannt.
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Die Haltevorrichtung 38 weist außerdem eine zweite Aussparung 52a mit einem zweiten Durchmesser D2 auf, wobei die zweite Aussparung 52a einen Randbereich 52b aufweist, an dem eine Pumpmembran 27 der Mikropumpe 21 anordenbar ist. Auch die zweite Aussparung 52a ist somit in etwa vergleichbar mit einem Rohrabschnitt.
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Außerdem ist die Pumpmembran 27 zumindest teilweise in die zweite Aussparung 52a hinein auslenkbar. Dies ist wiederum insbesondere in 5B zu sehen. Hier wird die Pumpmembran 27 zumindest teilweise in die zweite Aussparung 52a hinein ausgelenkt. Dies kann zum Beispiel durch Auslenken der Pumpmembran 27 mittels Überdruck 36 geschehen. Dabei stützt sich die Pumpmembran 27 an dem Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a ab, sodass die ausgelenkte Pumpmembran 27 eine kuppelförmige Verformung, bzw. eine Wölbung, aufweist.
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Die Wölbungen der Pumpmembran 27 und des Membranaktors 28 können etwa gleich sein. So kann die ausgelenkte Pumpmembran 27 mit dem vorgespannten Membranaktor 28 einfach verbunden werden.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, dass der erste Durchmesser D1 der ersten Aussparung 51a kleiner ist als der zweite Durchmesser D2 der zweiten Aussparung 52a, und dass die erste Aussparung 51a innerhalb der zweiten Aussparung 52a angeordnet ist.
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Für die Herstellung der Mikropumpe 21 kann sowohl die erfindungsgemäße Haltevorrichtung 38 mit dem eingangs beschriebenen gewölbten kugelkappenförmigen Boden, als auch die unter Bezugnahme auf die 5A und 5B beschriebene bodenlose Ausführungsform, die in etwa mit einem Rohrabschnitt vergleichbar ist, genutzt werden. Bezüglich der Herstellbarkeit der Haltevorrichtung 38 weist die bodenlose Version die folgenden Vorteile gegenüber der Haltevorrichtung mit gewölbtem kugelkappenförmigem Boden auf.
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Wenn die Haltevorrichtung 38 nämlich eine konische Form haben soll, so ist diese im gewünschten Mikrometerbereich schwierig herzustellen. Der Konus sollte dabei stets der Biegeform der Vorspannung des Membranaktors 28 entsprechen. Es handelt sich hierbei um Kavitäten von nur 5 µm bis 50 µm Tiefe, die aber kontinuierlich und ohne Fehlstellen gefertigt werden sollten.
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Dieses Problem wird zusätzlich dadurch verschärft, dass je nach Maskendesign mehrere Tausend dieser Kavitäten auf einem Werkzeug hergestellt werden müssen. Eine Möglichkeit, Geometrien mit dieser Genauigkeit herzustellen, ist das erodieren. Somit kann man beispielsweise die eingangs erwähnten Ausführungsformen mit gewölbtem kugelkappenförmigem Boden herstellen.
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Allerdings können sich beim Erodieren prozessbedingt Fehlstellen (Lunker, oder Schwankungen durch den Abtrag der Elektroden) ergeben. Diese Probleme waren an der Fraunhofer EMFT bereits bei einem Werkzeug mit drei Kavitäten zu beobachten (z.B. für eine Drei-Kammer Peristaltikpumpe). Die Werkzeugkosten für die Herstellung eines solchen Werkzeugs wären daher sehr hoch, wenn es denn überhaupt möglich ist, ein Werkzeug mit mehreren tausend „exakten“ Kavitäten herzustellen.
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Die unter Bezugnahme auf die 5A und 5B beschriebene Ausführungsform der Haltevorrichtung 38 schafft hierfür eine Abhilfe. Es kann hierbei nämlich bereits ausreichend sein, lediglich die Durchmesser D1, D2 der Randbereiche 51b, 52b der jeweiligen Vertiefungen 51a, 52a mit ausreichend hoher Präzision zu fertigen. Dadurch sinken die Herstellungskosten für ein solches Werkzeug erheblich.
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Die Haltevorrichtung 38 kann also beispielsweise so gestaltet werden, dass die Pumpmembran 27 bzw. der Membranaktor 28 nur noch an den beiden Randbereichen 51b, 52b, z.B. in Form von zwei Ringen (auch andere Formen möglich), gehalten wird. Dadurch sinkt das Risiko für Fehlstellen erheblich. Der äußere bzw. zweite Randbereich 52b (z.B. zweiter Ring) drückt die Pumpmembran 27 in eine erste Ebene, während der innere bzw. erste Randbereich 51b (z.B. erster Ring) den Membranaktor 28 in der Nähe des Rands des Membranaktors 28 in eine zweite Ebene herabdrückt. Statt Ringe kann jeder Randbereich beispielsweise auch aus n „Stößeln“ bestehen.
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Wie in 5A zu sehen ist, sind die beiden Randbereiche 51b, 52b in radialer Richtung voneinander beanstandet. In radialer Richtung sind der erste und der zweite Randbereich 51b, 52b im Bereich von wenigen Mikrometern voneinander beabstandet.
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Wie in 5B zu sehen ist, sind die beiden Randbereiche 51b, 52b auch in einer axialen Richtung voneinander beabstandet, was durch das Maß Z1 gekennzeichnet ist. Diese axiale Richtung wird auch als Tiefenrichtung bezeichnet. In dieser Tiefenrichtung sind der erste und der zweite Randbereich 51b, 52b im Bereich von wenigen Mikrometern voneinander beabstandet.
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Dabei ist der radial innere bzw. erste Randbereich 51b gegenüber dem radial äußeren bzw. zweiten Randbereich 52b axial nach innen versetzt, d.h. in eine Richtung, in der die Pumpmembran 27 ausgelenkt bzw. der Membranaktor 28 vorgespannt wird.
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In anderen Worten kann also der Randbereich 51b der ersten Aussparung 51a in einer Tiefenrichtung Z1, in der die Pumpmembran 27 und/oder der Membranaktor 28 in die jeweilige Aussparung 51a, 52a hinein auslenkbar sind, von dem Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a beabstandet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Haltevorrichtung 38 so gestaltet werden, dass die Randbereiche 51b, 52b (z.B. Ringe) im Mikrometerbereich in z-Achse, d.h. in der Tieffenrichtung, axial bzw. vertikal gegeneinander verschiebbar sind. So können auch Mikropumpen mit verschiedenen Membran- und Piezodicken mit einer Haltevorrichtung 38 montiert werden.
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In anderen Worten kann also beispielsweise der Randbereich 51b der ersten Aussparung 51a relativ zu dem Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a bewegbar angeordnet sein, sodass eine Beabstandung Z1, in Tiefenrichtung, zwischen dem Randbereich 51b der ersten Aussparung 51a und dem Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a variierbar ist. Beispielsweise kann der radial innere bzw. der Randbereich 51b der ersten Aussparung 51b in axialer Richtung Z1 beweglich ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch der radial äußere bzw. der Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a in axialer Richtung Z1 beweglich ausgeführt sein.
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Unabhängig davon, ob die Randbereiche 51b, 52b der ersten und/oder zweiten Aussparung 51a, 52b in axialer Richtung beweglich sind oder nicht, kann die axiale Beabstandung Z1 zwischen der Unterseite des Randbereichs 51b der ersten Aussparung 51a und der Unterseite des Randbereichs 52b der zweiten Aussparung 52a derart gewählt sein, dass die ausgelenkte Pumpmembran 27 mit dem vorgespannten Membranaktor 28 in Kontakt kommt.
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In anderen Worten kann die Beabstandung Z1 in der Tiefenrichtung zwischen dem Randbereich 51b der ersten Aussparung 51a und dem Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a derart gewählt sein, dass eine am Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a angeordnete Pumpmembran 27 in einem ausgelenkten Zustand einen am Randbereich 51b der ersten Aussparung 51a angeordneten Membranaktor 28 berührt.
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Wie eingangs erwähnt kann der Randbereich 51b der ersten Aussparung 51a und/oder der Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a ringförmig ausgebildet sein. Ringförmig bedeutet, dass die Form in sich geschlossen ist. Der in sich geschlossene ringförmige Randbereich 51b, 52b kann eine beliebige geometrische Form aufweisen. Vorzugsweise weist der in sich geschlossene ringförmige Randbereich 51b, 52b eine kreisrunde Form auf, sodass der Randbereich 51b, 52b einen Kreisring bildet.
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Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren nochmals mit anderen Worten beschrieben, wobei der Membranaktor 28 auch als Biegewandler oder Piezo bezeichnet wird:
- Erfindungsgemäß erfolgt eine Vorbiegung des Membranaktors 28 durch mechanische Mittel. Die Pumpenmembran 27 kann auf Wafer-Ebene (oder einem Feld von Pumpenchips) durch Gasdruck aufgeblasen werden, sodass sie sich an den Biegewandler 28 anschmiegt, der sich frei, oder beschränkt durch eine mechanische Form oder durch Sensoren begrenzt, verbiegen kann. Die Membran 27 und/oder der Biegewandler 28 können zuvor mit einem Verbindungsmittel 37, Klebstoff oder Niedertemperaturlot (z.B. im Siebdruckverfahren) versehen werden, damit nach dem Aufblasen der Membrane 27 eine Klebung oder Fügung mit dem Biegewandler 28, z.B. durch Anwendung von Temperatur, erfolgen kann.
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Damit ergeben sich die folgenden Vorteile:
- • Im Stand der Technik ist die Vorspannung (im mechanischen Sinn) beim Anlegen von elektrischen Spannungen durch die maximale elektrische Durchbruchfeldstärke des Piezomaterials begrenzt. Die erfindungsgemäße mechanische Vorbiegung des Membranaktors 28 kann hingegen diese Grenze überschreiten und das Potential des Biegewandlers 28 (in Richtung höhere Auslenkung und damit höheres Pumpvolumen) erhöhen.
- • Es werden keine aufwändigen und störanfälligen Kontaktstiftfelder benötigt.
- • Es ermöglicht einen Wafer-Level Prozess und die Pumpenchips müssen nicht nach dem Sägen neu in einem Feld arrangiert werden.
- • Mit Sensoren ist eine Qualitätsprüfung und Einstellung der mechanischen Vorspannung möglich
- • Bei Metallpumpen kann eine ungewollte Verbiegung durch die mechanisch Einspannung vermieden werden
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Nachfolgend wird, unter Bezugnahme auf die 3A und 3B, ein Beispiel für einen Prozessfluss zur Piezomontage mit mechanischer Vorspannung des Piezos 28 beschrieben:
- 1) Eine Scheibe 22 (z.B. Wafer) oder das Feld (Array) mit den vorgefertigten Pumpenchips wird auf einen Waferhalter 31 mit O-Ringen 32 am Waferrand aufgelegt.
Stützelemente 33, wie zum Beispiel Zwischenstege, Stempel oder Dichtungen sorgen für eine waagrechte Auflage des Wafers 22 auf dem Waferhalter 31.
- 2) Ein Kleber 37 oder ein Niedertemperaturlot wird auf dem Piezokristall 28 und/oder auf der Pumpenmembran 27 aufgetragen, z.B. im Screenprinting Verfahren oder anderen Dosierverfahren.
- 3) Die Piezoaufnahme (Haltevorrichtung) 38 mit Vertiefungen (z.B. in Kugelkappenform) wird vorher mit der entsprechenden Anzahl Piezos 28 mit pick-and-place Verfahren bestückt.
Option 1: Am Piezohalter 38 wird ein Vakuum 40 angelegt, so dass sich die Piezos 28 in die jeweilige kugelkappenförmigen Vertiefungen hineinbiegen. Option 2: Die Piezos 28 werden nur eingelegt (ohne Vakuum)
- 4) Dann wird der Waferhalter 31 auf den Piezohalter 38 aufgepresst und der Wafer 22 wird anschließend von hinten (d.h. von der dem Piezohalter 38 gegenüberliegend angeordneten Seite der jeweiligen Pumpenmembranen 27) mit Druck 36 beaufschlagt, sodass sich die Form der Pumpmembranen 27 an die Form der vorgebogenen Piezos 28 anpasst bzw. sodass die Pumpmembranen 27 die Piezos 28, beispielsweise kugelkappenförmig, verbiegen.
- 5) Jetzt kann über Heizdrähte im Piezohalter 38 die Vernetzung des Klebers 37 erfolgen. Dabei können Temperaturen bis knapp an die Curie Temperatur des Piezos 28 genutzt werden, ohne dass der Piezo 28 an Vorspannung verliert. Anschließend können das Vakuum 40 bzw. der Druck 36 entspannt werden und der Waferverbund 22, bzw. das Feld (Array), ist mit den unter mechanischer Vorspannung stehenden Piezos 28 bestückt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Haltevorrichtung 38 bieten einen eindeutigen Vorteil gegenüber Verfahren, bei denen der Membranaktor 28 mittels elektrischer Spannung ausgelenkt und dadurch mechanisch vorgespannt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Membranaktor mechanisch, z.B. mittels Unterdruck 40, ausgelenkt.
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Der Unterschied zwischen einer Mikropumpe, die mit herkömmlichen Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde, und einer Mikropumpe, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, ist unter anderem dadurch erkennbar, dass sich die Form des Membranaktors unterscheidet. Das heißt, die Form eines mittels elektrischer Spannung vorgespannten Membranaktors unterscheidet sich von der Form eines mechanisch vorgespannten Membranaktors.
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Außerdem sind bei mittels elektrischer Spannung vorgespannten Membranaktoren stets Kontaktspuren für das Anlegen der elektrischen Vorspannung am Membranaktor erkennbar.
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Erste Versuche haben gezeigt, dass die Leistungsdaten einer unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Mikropumpe höher sein kann als die einer herkömmlichen Mikropumpe mit einem mittels elektrischer Spannung vorgespannten Membranaktor.
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Eine unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Mikropumpe kann beispielsweise in folgenden Bereichen eingesetzt werden:
- • Mikropumpen im Medizinbereich,
- • Mikropumpen in Consumerbereich (z.B. Smart Phones)
- • Mikropumpen für Duft bei Virtual Reality Brillen
- • Mikropumpen für Vakuumanwendungen (z.B. Entgaser)
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Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die mit den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ohne Einschränkungen kombinierbar sind, betreffen:
- Die hierin beschriebene Haltevorrichtung 38, wobei die Haltevorrichtung 38 einen Fluidanschluss 39 aufweist, der fluidisch mit der ersten Aussparung 51a verbunden ist. An diesem Fluidanschluss 39 kann beispielsweise eine Pumpe, zum Beispiel eine Vakuumpumpe, angeschlossen werden. Die Pumpe kann ein in der ersten Aussparung 51a vorhandenes Fluid (z.B. Luft) ansaugen und somit in der ersten Aussparung 51a einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Fluiddruck erzeugen, durch den der Membranaktor 28 zumindest teilweise in die erste Aussparung 51a hinein auslenkbar ist.
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Ein System mit einer hierin beschriebenen Haltevorrichtung 38, einem Substrathalter 31 zum Aufnehmen eines Substrats 22, wobei der Substrathalter 31 eine Dichtung 32 zum Herstellen einer fluiddichten Verbindung zwischen dem Substrathalter 31 und einem darauf angeordneten Substrat 22 aufweist.
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Das oben genannte System, wobei der Substrathalter 31 einen Fluidanschluss 35 aufweist, der in einen zwischen dem Substrathalter 31 und dem darauf angeordneten Substrat 22 ausgebildeten Zwischenraum 34 mündet und durch den ein Fluid in diesen Zwischenraum 34 einleitbar ist.
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Das oben genannte System, wobei das in den Zwischenraum 34 einleitbare Fluid unter Druck in den Zwischenraum 34 einleitbar ist, wobei das Fluid einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck höheren Fluiddruck aufweist.
