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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
dem Informationsschreiben "Infobörse Mikrosystemtechnik;
Informationsreihe der VDI/VDE-Technologiezentrum Informationstechnik GmbH,
Nr. 3 – 1995,
Seite 4" ist eine
Methode zur Präpäration von
Wafern bekannt, bei der mehrere Waferschichten mittels Silikon Fusion
Bonding (SFB) miteinander verbunden werden. Dabei ist die Möglichkeit
eines selektiven Bondings erwähnt,
wobei das Anbonden von Teilen, die nicht mit einander gebondet werden
sollen, durch Aufrauhen der Oberfläche und spezielle Abstandselemente
verhindert werden kann.
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Im
wissenschaftlichen Bericht "Goll:
Entwicklung, Herstellung und Test von aktiven Mikroventilen für pneumatische
Anwendungen; Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, 1997,
Seite 29" ist in
Verbindung mit der Herstellung eines Mikroventils eine Antihaftschicht
in Form einer Trennschicht aus Gold erwähnt, um die Membran vom Silizium-Wafer zu
trennen. Dadurch sollen Sticking-Effekte, wie sie vor allem bei
Nass-Ätz-Techniken auftreten,
vermieden werden.
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Die
DE 690 24 935 T2 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils. Dabei werden zunächst scheibenartige,
unprofilierte Lagen zusammengebondet und nach dem Bonden die Oberseite jeder
Scheibe profiliert, beispielsweise geätzt, so dass sich darauf eine
Struktur ausbildet.
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Aus
der
DE 198 49 700
C2 ist eine Mikroventilanordnung bekannt, die ein Mikroventil
besitzt, das seinerseits ein durch Mikrostrukturierungsverfahren hergestelltes
Gehäuse
besitzt, das zwei sich gegenüberliegende
Gehäuseschichten
enthält,
zwischen denen eine Ventilkammer definiert ist, in der sich ein membran-
oder plattenartiges Ventilglied befindet. Es ist hier eine kapazitive
Positionserfassungseinrichtung zur Er fassung der Position des Ventilgliedes
vorgesehen, die durch zwei sich in Bewegungsrichtung des Ventilgliedes
gegenüberliegende,
einerseits am Ventilglied und andererseits an einer der Gehäuseschichten
angeordnete Kondensatorflächen
besteht, die ihrerseits unmittelbar von Elektrodenflächen des elektrischen
Aktors gebildet sind.
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In
der
DE 692 16 672 T2 ist
eine Anti-Haftschicht, bestehend aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid
erwähnt,
die jedoch nicht zum Verhindern des Anhaftens beim Bonden dient,
sondern das Anhaften beim Ventilbetrieb verhindern soll.
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In
der
DE 40 31 248 C2 schließlich ist
ein mikromechanisches Element erwähnt, bei dem zunächst auf
ein dünnes
nicht leitendes Substrat eine Metallschicht aufgedampft oder aufgesputtert
wird, und danach mit den selben Methoden eine Abstandsschicht aufgebracht
wird, die später
jedoch wieder durch selektives Ätzen
entfernt wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mehrschichtiges
Mikroventil vorzuschlagen, wobei die Möglichkeit zur Anwendung des
SFB (Silicon Fusion Bonding) oder SDB (Silicon Direct Bonding) mit
relativ geringem Aufwand möglich
ist.
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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, elektrisch
leitendem Material bestehende Antihaftschicht angeordnet ist, wobei
die Antihaftschicht eine Elektrode des integrierten elektrostatischen
Antriebes bildet und auf einer Isolationsschicht der Öffnungs-
oder Steuerschicht sitzt und durch eine Durchbrechung dieser Isolationsschicht
hindurch mit der darauffolgenden, aus Silizium bestehenden Hauptschicht
der Öffnungs- bzw. Steuerschicht
kontaktiert ist.
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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.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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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 Öffnungs schicht
mit einer Isolationsschicht auszustatten. Die Isolationsschicht
besteht zweckmäßigerweise
aus Siliziumdioxid oder aus Siliziumnitrid.
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Die
Antihaftschicht kann sich ununterbrochen über die gesamte Grundfläche des
Ventilgliedes und/oder über
den gesamten vom Ventilglied überdeckten
Flächenabschnitt
der Öffnungsschicht erstrecken.
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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.
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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.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In
dieser zeigen:
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1 einen Längsschnitt
durch eine bevorzugte Bauform des erfindungsgemäßen Mikroventils, hergestellt
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, gemäß Schnittlinie
I-I aus 2,
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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,
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3 und 4 in einer mit 1 vergleichbaren Längsschnittdarstellung zwei
Ausschnitte des Ventilgliedes zur Verdeutlichung alternativer Gestaltungsmöglichkeiten
für die
Antihaftschicht,
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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
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6 in einer der 5 entsprechenden Darstellungsweise
eine weitere Ausführungsform des
Mikroventils mit abweichender Gestaltung der wiederum strichpunktiert
angedeuteten Antihaftschicht.
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Die 1 und 2 zeigen schematisch ein Mikroventil 1,
das über
einen Mehrschichtaufbau verfügt
und einen integrierten elektrostatischen Antrieb 2 aufweist.
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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.
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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.
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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.
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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 Glassschichten 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Ventilglied 23 und die Öffnungsschicht 7 bilden
somit die Elektroden des für
die Erzeugung der Steuerbewegung verantwortlichen elektrostatischen Antriebes 2.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Anschließend findet
das Silicon Fusion Bonding oder Silicon Direct Bonding statt, wobei
die zusammenzufügenden
Schicht-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.
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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.