DE10260544A1

DE10260544A1 - Mehrschichtiges Mikroventil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10260544A1
Application number: DE2002160544
Authority: DE
Inventors: August Dipl.-Ing. Enzler (FH); Wolfgang Dr.tech. Dipl.-Ing. MBA Tschanun; Alex Prof. Dr.sc.nat. Dipl.-Phys. Dommann; Metin Dipl.-Phys. Giousouf; Andreas Dr.-Ing. Muth
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2002-12-21
Filing date: 2002-12-21
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-22
Also published as: DE10260544B4

Abstract

Es wird ein mehrschichtiges Mikroventil (1) mit integriertem elektrostatischem Antrieb (2) vorgeschlagen. Das Mikroventil (1) hat eine mit wenigstens einer Ventilöffnung (13, 14) ausgestattete Öffnungsschicht (7) und eine daran befestigte Steuerschicht (8) mit einem Rahmen (18) und einem daran bewegbar angeordneten Ventilglied (23). Der Rahmen (18) der Steuerschicht (8) ist durch SFB (Silicon Fusion Bonding) oder SDB (Silicon Direct Bonding) mit der Öffnungsschicht (7) verbunden. Eine an der Grundfläche des Ventilgliedes (23) und/oder an dem vom Ventilglied (23) überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht (7) angeordnete Antihaftschicht (36a, 36b) verhindert, dass das Ventilglied beim Bonden der Öffnungsschicht (7) und Steuerschicht (8) ebenfalls mit der Öffnungsschicht (7) gebondet wird. Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikroventils vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Mikroventil mit integriertem elektrostatischem Antrieb, mit einer wenigstens eine Ventilöffnung aufweisenden Öffnungsschicht und einer auf der Öffnungsschicht liegenden Steuerschicht, wobei die Öffnungsschicht und die Steuerschicht zumindest in den einander zugewandten Bereichen aus einem Siliziummaterial bestehen und wobei die Steuerschicht einen mit der Öffnungsschicht fest verbundenen Rahmen und ein verschwenkbar mit dem Rahmen verbundenes, wenigstens eine Ventilöffnung der Öffnungsschicht übergreifendes Ventilglied aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Mikroventils, das eine wenigstens eine Ventilöffnung aufweisende Öffnungsschicht sowie eine auf der Öffnungsschicht liegende Steuerschicht aufweist, wobei die Öffnungsschicht und die Steuerschicht zumindest in den einander zugewandten Bereichen aus einem Siliziummaterial bestehen und wobei die Steuerschicht einen an der Öffnungsschicht zu befestigenden Rahmen und ein verschwenkbar mit dem Rahmen verbundenes Ventilglied aufweist, das im fertiggestellten Zustand des Mikroventils wenigstens eine Ventilöffnung über greift und durch elektrostatische Kräfte relativ zu dieser bewegbar ist.

Aus der US 4585209 geht ein mehrschichtiges Mikroventil hervor, das unter anderem über eine eine Ventilöffnung aufweisende Schicht (Öffnungsschicht) und eine ein Ventilglied enthaltende weitere Schicht (Steuerschicht) verfügt. Während die Steuerschicht komplett aus Silizium besteht, setzt sich die Öffnungsschicht aus einer ebenfalls aus Silizium bestehenden Hauptschicht und einer an der der Steuerschicht zugewandten Seite angeordneten Isolationsschicht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid zusammen. Die Steuerschicht besitzt einen Rahmen, an dem ein schwenkbewegliches Ventilglied angeordnet ist, das die Ventilöffnung der Öffnungsschicht übergreift. Mittels eines integrierten elektrostatischen Antriebes, der von der Öffnungsschicht und der Steuerschicht gebildet wird, lässt sich das Ventilglied zum Freigeben und Verschließen der Ventilöffnung auslenken.

Zu Gunsten einer rationellen Herstellung von Mikroventilen wird eine Batch-Fertigung angestrebt. Dabei werden zuvor strukturierte Wafer gebondet und anschließend mittels geeigneter Trennverfahren, beispielsweise Sägen, zu einzelnen funktionsfähigen Mikroventilen vereinzelt. Aus den einzelnen Wafern ergeben sich dabei die verschiedenen aufeinanderliegenden Schichten des jeweiligen Mikroventils.

Aus der Mikrosystemtechnik ist es bereits bekannt, aus einem Siliziummaterial bestehende Schichten mikroelektromechanischer Systeme durch sogenanntes Silicon Direct Bonding (SDB) oder Silicon Fusion Bonding (SFB) aneinander zu befestigen. In diesem Zusammenhang kann auf die EP 1097901 A2 verwiesen werden. Bei einem derartigen Bonden erfolgt die Verbindung von Siliziummaterialschichten auf der Basis einer chemischen. Behandlung der einander zugewandten Schicht-Oberflächen. Die Schichten werden nach einem Reinigungsprozess hydrophiliert, wobei freie OH-Bindungen erzeugt werden. Anschließend werden die Schichten in Kontakt gebracht und bei hoher Temperatur etwa 60 Minuten getempert. Dabei entsteht eine chemische Silizium-Silizium-Bindung. Da bei einem solchen Bonden die Werkstoffe nur wenig beansprucht werden und zugleich ein hochfester Schichtverbund erzielbar ist, wäre eine darauf basierende Herstellung von mehrschichtigen Mikroventilen erstrebenswert. Allerdings würde dies nach bisherigem Kenntnisstand eine selektive chemische Behandlung der zu bondenden Schichten voraussetzen, wobei die Grundfläche des Ventilgliedes und der von diesem überdeckte Flächenabschnitt der Öffnungsschicht nicht behandelt werden, um dort ein Bonden zu verhindern und somit die Beweglichkeit des Ventilgliedes zu erhalten. Angesichts der vorhandenen Mikrostrukturen ist eine solche Verfahrensweise allerdings nicht praktikabel.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mehrschichtiges Mikroventil und ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Mikroventils vorzuschlagen, wobei die Möglichkeit zur Anwendung des SFB (Silicon Fusion Bonding) oder SDB (Silicon Direct Bonding) mit relativ geringem Aufwand möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem mehrschichtigen Mikroventil der eingangs genannten Art dadurch, dass der Rahmen durch SFB (Silicon Fusion Bonding) oder SDB (Silicon Direct Bonding) an der Öffnungsschicht befestigt ist und dass an der der Öffnungsschicht zugewandten Grundfläche des Ventilgliedes und/oder an dem vom Ventilglied überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht eine den unmittelbaren Kontakt zwischen dem Ventilglied und der Öffnungsschicht verhindernde, aus durch SFB bzw. SDB nicht bondbarem Material bestehende Antihaftschicht angeordnet ist.

Ferner wird die Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuerschicht durch SFB (Silicon Fusion Bonding) oder SDB (Silicon Direct Bonding) an der Öffnungsschicht befestigt wird, wobei vor dem Bonden an der der Öffnungsschicht zugewandten Grundfläche des Ventilgliedes und/oder an dem im fertiggestellten Zustand des Mikroventils vom Ventilglied überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht eine aus durch SFB bzw. SDB nicht bondbarem Material bestehende und beim Bonden einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem Ventilglied und der Öffnungsschicht verhindernde Antihaftschicht aufgebracht wird.

Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, bei der Herstellung des Mikroventils auf das Verfahren des SFB oder SDB zurückzugreifen, ohne dass die Notwendigkeit zu einer selektiven chemischen Behandlung der Schicht-Oberflächen bestünde. Es kann ohne weiteres die gesamte Schichtfläche chemisch behandelt werden, da sich die erfindungsgemäß platzierte Haftschicht an dem Bondprozess nicht beteiligt und gleichzeitig im Bereich des Ventilgliedes einen Abstand zwischen dem Ventilglied und der Öffnungsschicht vorgibt, sodass auch deren Materialien nicht gebondet werden. Als Resultat ergeben sich Mikroventile, deren Aufbau eine kostengünstige Fertigung zulässt und eine hohe Struktursteifigkeit zur Folge hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

In der Regel ist zwischen den zu bondenden Schichten eine elektrische Isolation erforderlich, um das Anlegen einer Potentialdifferenz und somit die Realisierung eines elektrostatischen Antriebes zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn sich die Steuerschicht aus einer aus Silizium bestehenden Hauptschicht und einer an deren der Öffnungsschicht zugewandten Seite vorgesehenen, aus siliziumhaltigem Material bestehenden Isolationsschicht zusammensetzt. Die Öffnungsschicht selbst kann in diesem Falle ausschließlich aus Silizium bestehen. Möglich ist auch eine umgekehrte Anordnung, bei der sich die Öffnungsschicht aus einer aus Silizium bestehenden Hauptschicht und einer an deren der Steuerschicht zugewandten Seite vorgesehenen Isolationsschicht zusammensetzt. In diesem Falle kann die Steuerschicht vollständig aus Silizium bestehen. Allerdings besteht auch die Möglichkeit, sowohl die Steuerschicht als auch die Öffnungsschicht mit einer Isolationsschicht auszustatten. Die Isolationsschicht besteht zweckmäßigerweise aus Siliziumdioxid oder aus Siliziumnitrid.

Die Antihaftschicht kann sich ununterbrochen über die gesamte Grundfläche des Ventilgliedes und/oder über den gesamten vom Ventilglied überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht erstrecken.

Alternativ kann sich die Antihaftschicht auch lediglich über einen Teil der Grundfläche des Ventilgliedes und/oder über einen Teil des vom Ventilglied überdeckten Flächenabschnittes der Öffnungsschicht erstrecken, wobei dann die nicht von der Antihaftschicht bedeckten Bereiche des Ventilgliedes bzw. der Öffnungsschicht gegenüber der betreffenden Antihaftschicht zurückversetzt sind, um auch dann einen Abstand von der gegenüberliegenden Schicht zu wahren, wenn die Steuerschicht und die Öffnungsschicht beim Bonden zusammengepresst werden.

Bevorzugt besteht die Antihaftschicht aus einem metallischen Werkstoff. Um in einem solchen Falle die Kapazität des vom Ventilglied und von der Öffnungsschicht gebildeten Kondensators des elektrostatischen Antriebes möglichst wenig herabzusetzen, bietet sich in einem solchen Falle eine Ausgestaltung der Antihaftschicht als strukturierte Schicht an, sodass sie über eine Mehrzahl von Antihaftvorsprüngen verfügt, zwischen denen sich kein Antihaftmaterial befindet. Möglich ist hier beispielsweise eine streifenförmige oder punktförmige Ausbildung großflächig verteilter Antihaftvorsprünge.

Es besteht ferner die Möglichkeit, eine elektrisch leitfähig ausgestaltete Antihaftschicht gleichzeitig als Elektrode des elektrostatischen Antriebes heranzuziehen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Bauform des erfindungsgemäßen Mikroventils, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, gemäß Schnittlinie I-I aus 2,
2 eine Draufsicht auf das Mikroventil gemäß 1 bei abgenommener Deckschicht gemäß Linie II-II aus 1, wobei die strichpunktierte Schraffur den von der Antihaftschicht überdeckten Bereich markiert,
3 und 4 in einer mit 1 vergleichbaren Längsschnittdarstellung zwei Ausschnitte des Ventilgliedes zur Verdeutlichung alternativer Gestaltungsmöglichkeiten für die Antihaftschicht,
5 eine Draufsicht auf ein Mikroventil gemäß der in 2 gezeigten Darstellungsweise, wobei die Antihaftschicht gemäß 3 und 4 ausgebildet und wiederum durch strichpunktierte Felder verdeutlicht ist, und
6 in einer der 5 entsprechenden Darstellungsweise eine weitere Ausführungsform des Mikroventils mit abweichender Gestaltung der wiederum strichpunktiert angedeuteten Antihaftschicht.
Die 1 und 2 zeigen schematisch ein Mikroventil 1, das über einen Mehrschichtaufbau verfügt und einen integrierten elektrostatischen Antrieb 2 aufweist.
Im Einzelnen setzt sich das Mikroventil 1 aus einer Mehrzahl überwiegend plattenartig gestalteter Schichten 3 zusammen, die mit zueinander parallelen Ausdehnungsebenen in einer zu den Ausdehnungsebenen rechtwinkeligen Schichtungsrichtung 4 sandwichartig aufeinanderliegen.
Die einzelnen Schichten 3 sind an den einander zugewandten Seiten durch Bonden fest miteinander verbunden. Bevorzugt haben die einzelnen Schichten 3 einen rechteckförmigen oder quadratischen Umriss, sodass das Mikroventil letztlich eine quader- oder würfelähnliche Gestalt hat.
Beim Ausführungsbeispiel enthalten die Schichten 3 eine Anschlussschicht 6, auf der eine Öffnungsschicht 7 sitzt, auf welche eine Steuerschicht 8 folgt, an die sich eine Deckschicht 9 anschließt.
Die Öffnungsschicht 7 und die Steuerschicht 8 bestehen jeweils aus Siliziummaterial. Für die Anschlussschicht 6 und die Deckschicht 9 wäre eine vergleichbare Materialwahl möglich, doch können auch andere Materialien herangezogen werden, wobei beim Ausführungsbeispiel Glas vorgesehen ist. Die Glasschichten 6, 9 sind beispielsweise durch anodisches Bonden mit der jeweils benachbarten Öffnungs- bzw. Steuerschicht 7, 8 zusammengefügt. Diese Verbindungstechnik ermöglicht ein chemisches Festkörperverschweißen und erzeugt damit einen hochfesten Schichtverbund, wobei die ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien von Vorteil sind.
Die "Öffnungsschicht 7" ist als solche bezeichnet, da sie an der der Steuerschicht 8 zugewandten Seite wenigstens eine Ventilöffnung aufweist, wobei sie beim Ausführungsbeispiel mit einer ersten Ventilöffnung 13 und einer zweiten Ventilöffnung 14 ausgestattet ist. Die Ventilöffnungen 13, 14 gehören jeweils zu einem ersten bzw. zweiten Ventilkanal 15, 16, der die Öffnungsschicht 7 und die sich anschließende Anschlussschicht 6 durchsetzt. Über die Anschlussschicht 6 können an die Ventilkanäle 15, 16 weiterführende Fluidkanäle angeschlossen werden. Im Bereich ihrer den Ventilöffnungen 13, 14 entgegengesetzten Enden verfügen die Ventilkanäle 15, 16' daher über geeignete Schnittstellen 17.
Die Steuerschicht 8 verfügt über einen durch Bonden fest mit der Öffnungsschicht 7 verbundenen Rahmen 18, der die umfangsseitige Begrenzungswand einer Ventilkammer 22 bildet. Die weitere Begrenzung der Ventilkammer 22 erfolgt durch die Öffnungsschicht 7 und die durchbrechungslose Deckschicht 9.
Die Steuerschicht 8 enthält des Weiteren ein beispielsweise membranartiges oder, wie beim Ausführungsbeispiel, zungenartiges Ventilglied 23, das am Rand wenigstens einen Abschnitt reduzierter Dicke aufweist, der ein Gelenk 24 bildet, über das das Ventilglied 23 einstückig mit dem Rahmen 18 verbunden ist.
Abgesehen von dem Gelenk 24 liegt keine Verbindung zwischen dem Ventilglied 23 und dem Rahmen 18 vor. Allerdings besteht die Möglichkeit, insbesondere bei membranartiger Ausgestaltung des Ventilgliedes 23, mehrere über den Umfang des Ventilgliedes 23 verteilte Gelenke 24 zur Aufhängung am Rahmen 18 vorzusehen.
Das Ventilglied 23 ragt ausgehend vom Rahmen 18 in die Ventilkammer 22 hinein und übergreift wenigstens eine der Ventilöffnungen 13, 14. Beim Ausführungsbeispiel werden beide Ventilöffnungen 13, 14 vom Ventilglied 23 übergriffen.
Das Ventilglied 23 ist relativ zur Öffnungsschicht 7 gemäß Doppelpfeil 26 bewegbar. Auf diese Weise kann es zwischen einer wenigstens eine der Ventilöffnungen 13, 14 dicht verschließenden Schließstellung – in durchgezogenen Linien gezeigt – und mindestens einer mehr oder weniger weit von der Öffnungsschicht 7 abgehobenen und dadurch beide Ventilöffnungen 13, 14 freigebenden Offenstellung – exemplarisch strichpunktiert angedeutet – verlagert werden. Die als Steuerbewegung bezeichenbare Verstellbewegung des Ventilgliedes 23 ist beim Ausführungsbeispiel eine Schwenkbewegung bezüglich des Gelenks 24. Entsprechend dem konstruktiven Konzept des Mikroventils 1 kann es sich bei der Steuerbewegung allerdings auch um eine andere Bewegungsart handeln, beispielsweise um eine translatorische Bewegung in der Schichtungsrichtung 4.
Sowohl die Öffnungsschicht 7 als auch die Steuerschicht 8 bestehen aus einem Siliziummaterial und haben somit elektrisch leitfähige Eigenschaften. Beide Schichten 7, 8 sind durch Anschlusskontakte 26a, 26b elektrisch kontaktiert, wobei die Kontaktierungsstellen 27a, 27b beispielsweise an der rechtwinkelig zur Schichtungsrichtung 4 orientierten Außenfläche der betreffenden Schicht 7, 8 vorgesehen sind.
Über die Anschlusskontakte 26a, 26b kann an die Öffnungsschicht 7 und die Steuerschicht 8 eine von einer Spannungsquelle 32 erzeugte Ansteuerspannung angelegt werden, die zwischen dem Ventilglied 23 und dem diesem gegenüberliegenden Bereich der Öffnungsschicht 7 ein elektrostatisches Feld erzeugt, welches bewirkt, dass das Ventilglied 23 an die Öffnungsschicht 7 herangezogen wird und dadurch die betreffende Ventilöffnung 13, 14 dicht verschließt. Ein zugeführtes Druckmedium, beispielsweise Druckluft oder ein sonstiges Gas oder auch ein hydraulisches Medium, wird dadurch am Hindurchströmen durch den zugeordneten Ventilkanal 15, 16 gehindert.
Das Ventilglied 23 und die Öffnungsschicht 7 bilden somit die Elektroden des für die Erzeugung der Steuerbewegung verantwortlichen elektrostatischen Antriebes 2.
Wird die Ansteuerspannung entfernt und ist die elektrische Ladung abgeflossen, kann sich beim Ausführungsbeispiel das Ventilglied 23 durch den an der einen Ventilöffnung anstehenden Fluiddruck in die Offenstellung bewegen. Das Druckmedium kann nun, durch die Ventilkammer 22 hindurch, zwischen den beiden Ventilkanälen 15, 16 überströmen.
Zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen der Öffnungsschicht 7 und der Steuerschicht 8 sind beim Ausführungsbeispiel an beiden Schichten geeignete Isolationsmaßnahmen vorgesehen. Diese sehen einen internen Mehrschichtaufbau sowohl der Öffnungsschicht 7 als auch der Steuerschicht 8 vor. wobei die jeweilige Schicht 7, 8 in eine aus Silizium bestehende erste bzw. zweite Hauptschicht 33a, 33b und in eine aus siliziumhaltigem Material bestehende erste bzw. zweite Isolationsschicht 34a, 34b unterteilt ist. Die Isolationsschichten 34a, 34b befinden sich an den einander zugewandten Seiten der Öffnungs- und Steuerschicht 7, 8 und liegen flächig aneinander an.
Bei den Isolationsschichten 34a, 34b handelt es sich insbesondere um auf dem Silizium der zugeordneten Hauptschicht 33a, 33b abgeschiedenes Siliziumdioxid. Es könnte sich allerdings unter anderem auch um Siliziumnitrid handeln. Anstelle des internen Mehrschichtaufbaus von sowohl der Öffnungsschicht 7 als auch der Steuerschicht 8 wäre es auch möglich, eine der Schichten vollständig aus Silizium auszubilden und nur die andere Schicht an der zugewandten Seite mit einer Isolationsschicht zu versehen.
Die Steuerschicht 8 ist an der Öffnungsschicht 7 durch eine Bondverbindung befestigt, die durch Silicon Fusion Bonding (SFB) oder Silicon Direct Bonding (SDB) hergestellt ist. Allerdings beschränkt sich der Bondbereich 35 auf die Kontaktbereiche zwischen der Öffnungsschicht 7 und dem Rahmen 18 der Steuerschicht 8. Das Ventilglied 23 nimmt einschließlich sei nes Gelenks 24 an der SFB- bzw. SDB-Bondverbindung nicht teil.
Gewährleistet wird dieses nur partielle Bonden bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 dadurch, dass an der der Öffnungsschicht 7 zugewandten Grundfläche des Ventilgliedes 23 eine den unmittelbaren Kontakt zwischen dem Ventilglied 23 und der Öffnungsschicht 7 – die beide aus Siliziummaterial bestehen – verhindernde Antihaftschicht 36a vorgesehen ist, die aus einem Material besteht, das durch SFB bzw. SDB nicht bondbar ist.
Bevorzugt ist die Antihaftschicht 36a metallisch ausgebildet, wobei es sich insbesondere um Chrom-Platin-Metall handeln kann. Die Antihaftschicht 36a verfügt daher gleichzeitig über elektrisch leitende Eigenschaften.
Strichpunktiert bei 36b ist angedeutet, dass zusätzlich auch die Öffnungsschicht 7 über eine Antihaftschicht der erwähnten Art verfügen kann. Diese ist an dem vom Ventilglied 23 überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht 7 vorgesehen.
Es besteht auch die Möglichkeit, lediglich an der Öffnungsschicht 7 eine Antihaftschicht vergleichbar der bei 36b angedeuteten vorzusehen und am Ventilglied 23 auf eine gegenüberliegende Antihaftschicht 36a zu verzichten.
Nimmt das Ventilglied 23 die Schließstellung ein, ergibt sich gleichzeitig ein Berührkontakt zwischen der jeweiligen Antihaftschicht 36a, 36b und der dieser gegenüberliegenden Anti haftschicht oder – wenn keine gegenüberliegende Haftschicht vorgesehen ist – der gegenüberliegenden Öffnungsschicht 7 bzw. dem gegenüberliegenden Ventilglied 23.
Beim Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist vorgesehen, dass sich die Antihaftschicht 36a ununterbrochen über die gesamte Grundfläche des Ventilgliedes 23 – einschließlich des Gelenks 24 – erstreckt. Eine an der Öffnungsschicht 7 eventuell vorhandene Antihaftschicht 36b kann entsprechend gestaltet sein, sodass sie sich ununterbrochen über den gesamten vom Ventilglied 23 überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht 7 an der dem Ventilglied 23 zugewandten Seite erstreckt.
Bei einer metallischen Ausgestaltung der Antihaftschicht 36a bzw. 36b ergibt sich bei ununterbrochener Überdeckung der Grundfläche des Ventilgliedes 23 bzw. des dieser gegenüberliegenden Flächenabschnittes der Öffnungsschicht 7 eine gewisse Schwächung der durch den elektrostatischen Antrieb 2 erzeugbaren elektrostatischen Kräfte. Daher kann alternativ eine Ausgestaltung vorgesehen werden, bei der sich die Antihaftschicht 36a bzw. 36b über lediglich einen Teil der Grundfläche des Ventilgliedes 23 und/oder des vom Ventilglied 23 überdeckten Flächenabschnittes der Öffnungsschicht 7 erstreckt. Mögliche Gestaltungsvarianten hierzu gehen aus 3 bis 6 hervor, in denen im Übrigen die den 1 und 2 entsprechenden Bauteile mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Die Ausführungsbeispiele zeigen jeweils die Ausgestaltung in Verbindung mit dem Ventilglied 23, wobei aber wiederum, wie schon beim Ausführungsbeispiel der 1 und 2, entsprechende Maßnahmen zusätzlich oder alternativ auch an der Öffnungsschicht 7 vorgesehen sein können. Die nachfolgenden Ausführungen gelten somit entsprechend für die genannten anderen Bauformen.
Indem die Grundfläche des Ventilgliedes 23 nur bereichsweise von der Antihaftschicht 36a überdeckt wird, ergeben sich neben und zwischen den von der Antihaftschicht 36a überdeckten Teilbereichen mehrere unbedeckte Teilbereiche 42, die gegenüber der Oberfläche der zugeordneten Antihaftschicht 36a in der Schichtungsrichtung 4 zurückversetzt sind. Diese vertieften Teilbereiche 42 werden zwar beim Bonden durch die chemische Behandlung aktiviert, gehen jedoch gleichwohl keine Bondverbindung mit der gegenüberliegenden Öffnungsschicht 7 ein, weil sie diese nicht berühren können.
Da die Antihaftschicht sehr dünn ist und in der Regel nur einige 100 nm beträgt, kann gemäß 4 in denjenigen Bereichen, in denen sich die Antihaftschicht 36a befindet, durch eine Tiefenstrukturierung des Ventilgliedes 23 bzw. – sofern vorhanden – der Isolationsschicht 34b die Höhe der einzelnen Antihaftschichtbereiche vergrößert werden.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, eine die zugeordnete Schicht nur teilweise überdeckende Antihaftschicht dadurch zu realisieren, dass man diese, wie wiederum aus 3 bis 6 hervorgeht, als strukturierte Schicht mit einer Mehrzahl von Antihaftvorsprüngen 43 ausbildet, die über die Grundfläche des Ventilgliedes 23 und/oder über den vom Ventilglied 23 überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht 7 verteilt sind. Diese Antihaftvorsprünge 43 können, wie dies exemplarisch in 5 und 6 gezeigt ist, beispielsweise streifenförmig oder punktförmig ausgebildet sein, wobei gleichzeitig auch unterschiedliche Formen möglich sind. Bei streifenförmiger Ausgestaltung können sich die Antihaftvorsprünge 43 insbesondere mit zueinander paralleler Ausrichtung in Längsrichtung oder in Querrichtung des Ventilgliedes 23 erstrecken.
Wie in 1 angedeutet ist, kann eine Antihaftschicht auch so ausgebildet werden, dass sie eine Elektrode des integrierten elektrostatischen Antriebes 2 bildet. Sitzt die entsprechende Antihaftschicht 36b auf einer Isolationsschicht 34a, kann diese mit einer Durchbrechung 44 versehen werden, durch die hindurch die elektrisch leitende Antihaftschicht 36b mit der darauffolgenden Silizium-Hauptschicht 33a kontaktiert wird. Die Kontaktstellen 27a, 27b können somit weiterhin an den beiden Hauptschichten 33a, 33b vorgesehen werden, wobei die elektrisch leitende Verbindung zu der als Elektrode wirkenden Antihaftschicht 36b über die Durchkontaktierung 45 der Durchbrechung 44 hergestellt wird.
Aus 1 geht eine weitere zweckmäßige Maßnahme hervor, die darin besteht, die jeweilige Antihaftschicht 36a, 36b derart in das Ventilglied 23 bzw. in die Öffnungsschicht 7 einzulassen, dass ihre der jeweils anderen Schicht zugewandte Antihaftfläche 46a, 46b bündig mit der angrenzenden Oberfläche 47a, 47b der die betreffende Antihaftschicht 36a, 36b tragenden Öffnungs- bzw. Steuerschicht 7, 8 verläuft.
Besonders zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, die mit der Antihaftschicht 36a, 36b ausgestattete Schicht 7, 8 im Übergangsbereich zwischen dem Rahmen 18 und dem Gelenk 24 abzustufen – entsprechende Abstufungen sind bei 48 sichtbar –, wobei die Antihaftschicht in dem durch die Abstufung entstandenen zurückversetzten Bereich der Öffnungs- bzw. Steuerschicht 7, 8 eingebettet ist. Durch die Abstufung 48 wird eine definierte Grenze zwischen dem Bondbereich 35 und dem Ventilglied 23 bzw. dem diesem gegenüberliegenden Flächenabschnitt der Öffnungsschicht 7 gebildet, die so gelegt ist, dass sich der Bondbereich auf jeden Fall außerhalb des Gelenks 24 befindet und somit die freie Beweglichkeit des Ventilgliedes 23 nach dem Bonden nicht beeinträchtigt ist.
Die Herstellung des Mikroventils geschieht zweckmäßigerweise in einem Batch-Verfahren, wobei die einzelnen Schichten definierende, entsprechend ihrer Funktion strukturierte Wafer aufeinandergeschichtet und miteinander verbunden werden, wobei der entstehende Wafer-Verbund anschließend mittels geeigneter Trennverfahren in die einzelnen Mikroventile zerlegt wird. Vor dem Bonden werden an der Öffnungsschicht 7 und an der Steuerschicht 8 die Antihaftschichten 36a, 36b aufgebracht, was beispielsweise durch Sputtern oder Bedampfen mittels Schattenmaske erfolgt.
Anschließend findet das Silicon Fusion Bonding oder Silicon Direct Bonding statt, wobei die zusammenzufügenden Schichte Oberflächen nach vorherigem Polieren und Reinigen einer chemischen Behandlung ausgesetzt werden. Bei dieser chemischen Behandlung werden die nicht von einer Antihaftschicht 36a, 36b abgedeckten Oberflächenbereiche der Öffnungsschicht 7 und Steuerschicht 8 hydrophiliert, das heißt, es werden freie OH-Bindungen erzeugt. Dies erfolgt beispielsweise durch Behandlung in einer Mischung aus NA₄OH, H₂O₂ und H₂O bei einer Temperatur von etwa 50 bis 60°C. Anschließend werden die so behandelten Schichten in Kontakt gebracht und bei etwa 1.050°C für 60 Minuten getempert. Dabei entsteht in den Bondbereichen 35 eine chemische Bindung zwischen den sich berührenden hydrophilierten Siliziummaterialien.
Da die Antihaftschichten 36a, 36b nicht hydrophilierbar sind, bleibt dort die chemische Vorbehandlung wirkungslos. Dies hat zur Folge, dass sich beim anschließenden Zusammenbringen der Schichten die einzelnen Antihaftschichten 36a, 36b mit der jeweils gegenüberliegenden Schicht-Oberfläche nicht stoffschlüssig verbinden und somit die Schwenkbeweglichkeit des Ventilgliedes 23 uneingeschränkt erhalten bleibt. Die Antihaftschichten 36a, 36b bleiben dabei erhalten.

Claims

Mehrschichtiges Mikroventil mit integriertem elektrostatischem Antrieb, mit einer wenigstens eine Ventilöffnung (13, 14) aufweisenden Öffnungsschicht (7) und einer auf der Öffnungsschicht (7) liegenden Steuerschicht (8), wobei die Öffnungsschicht (7) und die Steuerschicht (8) zumindest in den einander zugewandten Bereichen aus einem Siliziummaterial bestehen und wobei die Steuerschicht (8) einen mit der Öffnungsschicht (7) fest verbundenen Rahmen (18) und ein verschwenkbar mit dem Rahmen (18) verbundenes, wenigstens eine Ventilöffnung (13, 14) der Öffnungsschicht (7) übergreifendes Ventilglied (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (18) durch SFB (Silicon Fusion Bonding) oder SDB (Silicon Direct Bonding) an der Öffnungsschicht (7) befestigt ist und dass an der der Öffnungsschicht (7) zugewandten Grundfläche des Ventilgliedes (23) und/oder an dem vom Ventilglied (23) überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht (7) eine den unmittelbaren Kontakt zwischen dem Ventilglied (23) und der Öffnungsschicht (7) verhindernde, aus durch SFB bzw. SDB nicht bondbarem Material bestehende Antihaftschicht (36a, 36b) angeordnet ist.
Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Steuerschicht (8) aus einer aus Sizilium bestehenden Hauptschicht (33b) und einer an deren der Öffnungsschicht (7) zugewandten Seite vorgesehenen, aus siliziumhaltigem Material bestehenden Isolationsschicht (34b), insbesondere aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, zusammensetzt.
Mikroventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnungsschicht (7) aus einer aus Silizium bestehenden Hauptschicht (33a) und einer an deren der Steuerschicht (8) zugewandten Seite vorgesehenen, aus siliziumhaltigem Material bestehenden Isolationsschicht (34a), insbesondere aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, zusammensetzt.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Antihaftschicht (36a, 36) ununterbrochen über die gesamte Grundfläche des Ventilgliedes (23) und/oder über den gesamten vom Ventilglied (23) überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht (7) erstreckt.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Antihaftschicht (36a, 36b) über lediglich einen Teil der Grundfläche des Ventilgliedes (23) und/oder des vom Ventilglied (23) überdeckten Flächenabschnittes der Öffnungsschicht (7) erstreckt, wobei die nicht von der Antihaftschicht (36a, 36b) bedeckten Bereiche des Ventilgliedes (23) bzw. der Öffnungsschicht (7) gegenüber der Antihaftfläche (46a, 46b) der zugeordneten Antihaftschicht (36a, 36b) zurückversetzt sind.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftschicht (36a, 36b) als strukturierte Schicht mit einer Mehrzahl von über die Grundfläche des Ventilgliedes (23) und/oder über den vom Ventilglied (23) überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht (7) verteilten Antihaftvorsprüngen (43) ausgebildet ist.
Mikroventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftvorsprünge (43) streifenförmig oder punktförmig ausgebildet sind.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftschicht (36a, 36b) derart in das Ventilglied (23) und/oder die Öffnungsschicht (7) eingelassen ist, dass ihre der jeweils anderen Schicht zugewandte Antihaftfläche (46a, 46b) bündig mit der angrenzenden Oberfläche der sie tragenden Öffnungs- bzw. Steuerschicht (7, 8) verläuft.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (23) ein Gelenk (24) aufweist, über das es mit dem Rahmen (18) der Steuerschicht (8) verschwenkbar verbunden ist.
Mikroventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschicht (8) und/oder die Öffnungsschicht (7) in dem Bereich des Überganges zwischen dem Rahmen (18) und dem Gelenk (24) abgestuft ist, wobei in dem dadurch entstandenen zurückversetzten Bereich die Antihaftschicht (36a, 36b) angeordnet ist.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftschicht (36a, 36b) aus elektrisch leitendem Material besteht.
Mikroventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftschicht (36a, 36b) aus Metall besteht, insbesondere aus Chrom-Platin-Metall.
Mikroventil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antihaftschicht (36a, 36b) eine Elektrode des integrierten elektrostatischen Antriebes (2) bildet.
Mikroventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode bildende Antihaftschicht (36a, 36b) auf einer Isolationsschicht (34a, 34b) der Öffnungs- oder Steuerschicht (7, 8) sitzt und durch eine Durchbrechung (34) dieser Isolationsschicht (34a, 34b) hindurch mit der darauffolgenden, aus Silizium bestehenden Hauptschicht (33a, 33b) der Öffnungs- bzw. Steuerschicht (7, 8) kontaktiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Mikroventils, das eine wenigstens eine Ventilöffnung (13, 14) aufweisende Öffnungsschicht (7) sowie eine auf der Öffnungsschicht (7) liegende Steuerschicht (8) aufweist, wobei die Öffnungsschicht (7) und die Steuerschicht (8) zumindest in den einander zugewandten Bereichen aus einem Siliziummaterial bestehen und wobei die Steuerschicht (8) einen an der Öffnungsschicht (7) zu befestigenden Rahmen (18) und ein verschwenkbar mit dem Rahmen (18) verbundenes Ventilglied (23) aufweist, das im fertiggestellten Zustand des Mikroventils (1) wenigstens eine Ventilöffnung (13, 14) übergreift und durch elektrostatische Kräfte relativ zu dieser bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschicht (8) durch SFB (Silicon Fusion Bonding) oder SDB (Silicon Direct Bonding) an der Öffnungsschicht (7) befestigt wird, wobei vor dem Bonden an der der Öffnungsschicht (7) zugewandten Grundfläche des Ventilgliedes (23) und/oder an dem im fertiggestellten Zustand des Mikroventils (1) vom Ventilglied (23) überdeckten Flächenabschnitt der Öffnungsschicht (7) eine aus durch SFB bzw. SDB nicht bondbarem Material bestehende und beim Bonden einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem Ventilglied (23) und der Öffnungsschicht (7) verhindernde Antihaftschicht (36a, 36b) aufgebracht wird.