DE10356308A1

DE10356308A1 - Integrierter fluidischer Mischer zum Mischen von durchströmenden Flüssigkeiten und Verfahren zur Herstellung eines solchen Mischers

Info

Publication number: DE10356308A1
Application number: DE10356308A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fuertsch; Hubert Benzel; Stefan Finkbeiner; Stefan Pinter; Frank Schaefer; Simon Armsbruster; Christoph Schelling; Tjalf Pirk; Julian Gonska
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen integrierten fluidischen Mischer zum Mischen von durchströmenden Flüssigkeiten, mit einem Flüssigkeitskanal, um die zu mischenden Flüssigkeiten zuzuleiten, mit einer Verzweigung, um den Flüssigkeitskanal in einen ersten und einen zweiten Teilkanal aufzuteilen, wobei in mindestens einem der Teilkanäle eine Stufe angeordnet ist, wobei die Teilkanäle hinter der Verzweigung in einer Zusammenführung zusammengeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe in dem ersten Teilkanal so angeordnet ist, dass ein strömungsabgewandtes Ende der Stufe im Wesentlichen an der Zusammenführung der beiden Teilkanäle angeordnet ist, wobei die Stufe in dem zweiten Teilkanal so angeordnet ist, dass ihr strömungsabgewandtes Ende vor der Zusammenführung der Teilkanäle endet, wobei eine Begrenzung der Teilkanäle durch eine unstrukturierte Platte gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten fluidischen Mischer zum Mischen von durchströmenden Flüssigkeiten. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines solchen integrierten fluidischen Mischers.
Bei der Mikrofluidik werden geringe Mengen Flüssigkeit transportiert, manipuliert und analysiert. Ein wichtiger Vorgang bei vielen mikrofluidischen Anwendungen ist das Mischen verschiedener Flüssigkeiten, z.B. Lösungen und Analysate.
Die Flüssigkeiten werden dazu in Flüssigkeitskanälen geringen Querschnitts transportiert. Aufgrund des geringen Querschnitts fließen die Flüssigkeiten in diesen Kanälen immer laminar, d.h. es finden keine Verwirbelungen statt. Zwei Flüssigkeiten, die über entsprechende Kanäle zusammengeführt werden, laufen daher parallel zueinander und mischen sich nur über Diffusion, nicht jedoch durch Turbulenzen. In diesen Fällen dauert das Mischen sehr lange, so dass Flüssigkeitskanäle mit vergleichsweise großen Längen in dem Mikrofluidikbauelement vorgesehen sein müssen, damit ein vollständiges Durchmischen beider Flüssigkeiten erfolgen kann.
Zur Beschleunigung des Mischvorgangs wird üblicherweise die maximale Distanz, die durch Diffusion durchmischt werden soll, verringert. Dazu werden die Flüssigkeitsströme geteilt und auf andere Weise wieder zusammengeführt, so dass die Flüssigkeitsströme ineinander verwoben werden und somit die Größe der Grenzfläche zwischen beiden Flüssigkeitsströmungen erhöht wird. Z.B. können die beiden Flüssigkeitsströme wiederholt horizontal geteilt und vertikal wieder zusammengeführt werden, so dass anstelle einer Grenzfläche zwischen den Flüssigkeitsströmungen mehrere Grenzflächen geschaffen werden, an denen Diffusion stattfindet.
Bei der Herstellung eines fluidischen Mischers werden üblicherweise zwei Substrate mit einfachen Prozessen, wie z.B. Prägen, Gießen, isotropem oder anisotropem Ätzen strukturiert und anschließend zusammengesetzt, da die Flüssigkeitsführung nicht in einem Block realisiert werden kann. Das Verbinden von zwei Substraten ist relativ aufwändig, da das Verbinden von z.B. zwei Halbleitersubstraten aufgrund der hohen Reinheitsanforderung an die Oberflächen ein hohes Risiko bezüglich der Prozessausbeute beinhaltet und somit teuer ist. Außerdem werden zwei strukturierte Wafer benötigt, die den Material- und Prozessaufwand verdoppeln.
Zwar kann ein strukturierter Glaswafer mit Hilfe von anodischem Bonden gut mit einem strukturierten Halbleitersubstrat verbunden werden, die Strukturierung des Glaswafers ist jedoch aufwändig und somit kostenintensiv.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen fluidischen Mischer sowie ein einfaches Herstellungsverfahren für den fluidischen Mischer zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch den integrierten fluidischen Mischer nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein integrierter fluidischer Mischer zum Mischen von durchströmenden Flüssigkeiten vorgesehen. Der Mischer umfasst einen Flüssigkeitskanal, um die zu mischenden Flüssigkeiten zuzuleiten. Durch eine Verzweigung wird der Flüssigkeitskanal in einen ersten und einen zweiten Teilkanal aufgeteilt. In dem ersten der beiden Teilkanäle ist eine Stufe angeordnet, wobei die Teilkanäle hinter der Verzweigung in einer Zusammenführung zusammengeführt sind. Die Stufe ist in dem ersten Teilkanal so angeordnet, dass ein strömungsabgewandtes Ende der Stufe im Wesentlichen an der Zusammenführung der beiden Teilkanäle angeordnet ist. Der zweite Teilkanal ist so ausgebildet, dass er den gleichen Strömungswiderstand aufweist, wie der erste Teilkanal. Insbesondere ist in dem zweiten Teilkanal eine Stufe so angeordnet, dass sie den Strömungswiderstand aufweist und dass ihr strömungsabgewandtes Ende vor der Zusammenführung der Teilkanäle endet. Eine Begrenzung beider Teilkanäle wird durch eine unstrukturierte Platte gebildet.
Der integrierte fluidische Mischer gemäß der Erfindung hat den Vorteil, dass er auf einfache Weise aufgebaut werden kann, insbesondere indem vermieden wird, dass zwei strukturierte Substrate zusammengefügt werden müssen, um die Mischerstruktur zu bilden. Der erfindungsgemäße Mischeraufbau ermöglicht es, die Strukturierungen innerhalb eines einzigen Substrates durchzuführen, das mit einer im Wesentlichen unstrukturierten Platte so abgeschlossen werden kann, dass ein fluidischer Mischer mit Flüssigkeitskanal, Verzweigung, Zusammenführung und den Teilkanälen gebildet wird.
Insbesondere können die Verzweigung und die Zusammenführung des Mischers durch ein im Flüssigkeitskanal angeordnetes Element gebildet sein. Auf diese Weise können die Verzweigung und die Zusammenführung durch eine einzige Struktur gebildet sein, wodurch die Strukturierung des Mischers in einfacher Weise erfolgen kann.
Vorzugsweise weist der Mischer eine im Wesentlichen kreisförmige, viereckige oder ovale Grundrissfläche auf.
Insbesondere kann der Mischer mit einem Substrat aus Silizium, Siliziumdioxid und/oder Kunststoff ausgebildet sein.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Stufen in den Teilkanälen so angeordnet sind, dass die Teilkanäle im Wesentlichen den gleichen Strömungswiderstand aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Flüssigkeitsströmungen in den Teilkanälen im wesentlichen gleich verteilt sind, so dass durch jeden der Teilkanäle eine ausreichende Flüssigkeitsmenge fließen kann.
Vorzugsweise sind die Stufen in beiden Teilkanälen auf der gleichen Innenwandseite angeordnet. Die Innenwandseite ist dabei vorzugsweise die der Begrenzung durch die unstrukturierte Platte gegenüberliegende Innenwandfläche.
Dies stellt eine besonders einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mischers dar, da die Stufen in einem einzigen Prozessschritt hergestellt werden können, ohne dass die Funktionalität des Mischers beeinträchtigt wird.
Alternativ können die Stufen auch als Durchlässe in einer in jeden Teilkanal eingebrachten Wandstruktur des Mischers gebildet sein, wobei der Durchlass in dem ersten Teilkanal in ausreichender Entfernung zu der Zusammenführung, z. B. nahe der Verzweigung und in dem zweiten Teilkanal nahe der Zusammenführung angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mischers geschaffen werden, die ebenfalls so aufgebaut werden kann, dass das Substrat, in dem die fluidische Mischerstruktur eingebracht ist, durch eine unstrukturierte Platte abgeschlossen werden kann, um den fluidischen Mischer zu bilden.
Vorzugsweise ist hinter dem Durchlass in dem ersten Teilkanal die Struktur des ersten Teilkanals so gestaltet, um den Flüssigkeitsstrom in eine erste Ebene zu leiten und die Struktur des zweiten Teilkanals so gestaltet, um den Flüssigkeitsstrom zu dem entsprechenden Durchlass nahe der Zusammenführung zu leiten, um den Flüssigkeitsstrom in einer zweiten Ebene in die Zusammenführung auszugeben. Auf diese Weise kann eine Mischerstruktur für einen fluidischen Mischer geschaffen werden, die einen Flüssigkeitsstrom aufteilt und die Teile des Flüssigkeitsstroms in gedrehter Anordnung wieder zusammensetzt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines fluidischen Mischers vorgesehen. Dabei wird in ein Substratmaterial über Formgebungs- und Abscheideverfahren eine nach oben hin offene Mischerstruktur eingebracht bzw. auf ein Substratmaterial aufgebracht, wobei anschließend die Mischerstruktur mit einer im Wesentlichen unstrukturierten Platte abgedeckt wird, um die geschlossene Mischerstruktur zu schaffen. Auf diese Weise kann ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines fluidischen Mischers zur Verfügung gestellt werden, mit dem der fluidische Mischer auf einfache Weise und mit einer großen Produktionsausbeute, d.h. kostengünstig hergestellt werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die Mischerstruktur mit einem Flüssigkeitskanal zum Zuleiten von Flüssigkeit, mit einer Verzweigung zum Aufteilen des Flüssigkeitskanals in zwei Teilkanäle und mit Stufen in jedem der Teilkanäle gebildet wird. Dazu wird auf einer ersten Funktionsschicht eine Ätzstoppschicht aufgebracht und diese so strukturiert, dass bei einem Ätzen die Stufen gebildet werden. Auf der ersten Funktionsschicht und der Ätzstoppschicht wird eine zweite Funktionsschicht aufgebracht. Ein Tiefenätzprozess wird ausgeführt, wobei die zweite Funktionsschicht gemäß einer vorgegebenen Kanalstrukturierung geätzt wird. Der Tiefenätzprozess wird an der Ätzstoppschicht gestoppt und die erste Funktionsschicht entsprechend der Strukturierung der Ätzstoppschicht geätzt. Auf diese Weise kann mit Hilfe eines einzigen Tiefenätzpro zesses der Kanal sowie die Stufen in dem Kanal gebildet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Funktionsschicht auf das Substrat aufgebracht wird oder in dem Substrat umfasst ist.
Die Oberfläche der zweiten Funktionsschicht kann so bearbeitet werden, dass eine bondbare Oberfläche entsteht, so dass die unstrukturierte Platte mit der bondbaren Oberfläche mit Hilfe eines Waferbondverfahrens und dgl. verbunden werden kann.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Mischerstruktur mit einem Flüssigkeitskanal zum Zuleiten von Flüssigkeit, mit einer Verzweigung zum Aufteilen des Flüssigkeitskanals in zwei Teilkanäle und mit Stufen in jedem der Teilkanäle gebildet wird. Auf einem Substrat wird dazu eine Opferschicht aufgebracht, auf die eine erste Funktionsschicht aufgebracht wird. Auf die erste Funktionsschicht wird eine Ätzstoppschicht aufgebracht, und diese strukturiert. Auf der ersten Funktionsschicht und der strukturierten Ätzstoppschicht wird eine zweite Funktionsschicht aufgebracht. Es wird ein Tiefenätzprozess ausgeführt, wobei die erste und zweite Funktionsschicht gemäß einer vorgegebenen Kanalstrukturierung geätzt werden. Der Tiefenätzprozess wird an einer Ätzstoppschicht gestoppt, so dass die abgedeckte erste Funktionsschicht verbleibt. Nach Durchätzen der ersten Funktionsschicht wird in einem weiteren Ätzschritt die Opferschicht geätzt, wobei Unterätzungen unter die erste Funktionsschicht erfolgen, wobei unter einer durch die erste Funktionsschicht gebildeten Wandstruktur die Opferschicht von beiden Seiten der Wandstruktur im Wesentlichen so geätzt wird, dass ein Durchlass unter der Wandstruktur entsteht. Auf diese Weise ist es möglich, nach einem Tiefenätzschritt Durchlässe in Wandstrukturen herzustellen, so dass durch eine einseitige Strukturierung eines Substrates dreidimensionale Strömungsführungen in einem Sub strat erzeugt werden können, ohne zwei Substrate zu strukturieren, die anschließend in geeigneter, zueinander justierter Weise aufeinander gefügt werden müssen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen fluidischen Mischers;
1B eine Darstellung einer Serienanordnung von fluidischen Mischern nach 1A;
1C und 1D weitere Varianten der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen fluidischen Mischers nach 1A; 2A bis 2D das Verfahren zur Herstellung des Mischerelements anhand einer Schnittansicht und einer Draufsicht gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
3A eine Draufsicht auf einen fluidischen Mischer gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3B einen Querschnitt durch den fluidischen Mischer gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4A bis 4C veranschaulichen die Prozessschritte zur Herstellung des fluidischen Mischers gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In 1A ist in einer perspektivischen Ansicht ein fluidischer Mischer ohne obere Abdeckung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Ein solcher fluidischer Mischer wird häufig in einer Serienanordnung von mehreren Mischerelementen, wie in 1B dargestellt, angeordnet. Der fluidische Mischer weist einen Zuleitungskanal 1 auf, über den zwei oder mehrere zusammengeführte Flüssigkeitsströme dem Mischer zugeführt werden. Ein Strömungsteilerelement 2 bildet eine Verzweigung für den Flüssigkeitsstrom. Durch das Strömungsteilerelement 2 werden ein erster Teilkanal 3 und ein zweiter Teilkanal 4 gebildet. Flussabwärts des Strömungsteilerelementes 2 werden die beiden Teilkanäle 3, 4 in einer Zu sammenführung wieder zusammengeführt und in einen Ablaufkanal 5 ausgegeben.
In dem ersten Teilkanal 3 ist eine erste Stufe 6 und in dem zweiten Teilkanal 4 eine zweite Stufe 7 angeordnet. Die erste Stufe 6 in dem ersten Teilkanal 3 bewirkt, dass der Teilflüssigkeitsstrom an der Verzweigung auf eine zweite Fließebene E2 angehoben wird, während der Flüssigkeitsstrom bei und nach der Verzweigung in dem zweiten Teilkanal 4 noch in einer ersten Fließebene E1 verbleibt. Die zweite Stufe 7 beginnt in einem von der Verzweigung flussabwärts gelegenen Bereich und endet bei der Zusammenführung der beiden Teilkanäle 3, 4, so dass der Teilflüssigkeitsstrom des zweiten Teilkanals 4 in der zweiten Fließebene E2 in die Zusammenführung geleitet wird. Die erste Stufe 6 endet deutlich vor der Zusammenführung, so dass der Teilflüssigkeitsstrom wieder über die erste Fließebene E1 in die Zusammenführung fließt. Bei der Zusammenführung wird der Flüssigkeitsstrom, der durch den zweiten Teilkanal 4 fließt, somit über den Flüssigkeitsstrom, der in dem ersten Teilkanal 3 fließt, geschoben. Auf diese Weise wird eine Mischerstruktur geschaffen, die einen Flüssigkeitsstrom vertikal aufteilt und anschließend horizontal übereinander anordnet. Die erste Stufe 6 ist im Wesentlichen dafür vorgesehen, dass in beiden Teilkanälen 3, 4 der gleiche Strömungswiderstand vorherrscht, so dass die Flüssigkeitsmengen in beiden Teilkanälen im Wesentlichen gleich groß sind.
Die in die Teilkanäle 3, 4 eingebrachten Stufen 6, 7 heben die Teilströme in den Teilkanälen an bestimmten Stellen an. Das Strömungsteilerelement teilt die Flüssigkeit in zwei Teilströme auf und führt sie nach kurzer Strecke wieder zusammen. Durch Einfügen von Stufen an geeigneter Stelle wird der erste Teilkanal kurz vor dem Zusammenführen angehoben. Der entsprechende Flüssigkeitsstrom schiebt sich so über den anderen, die horizontal auseinandergeführten Flüssigkeitsströmungen werden so vertikal wieder zusammengeführt. Die Position der Stufen und die geometrische Auslegung sind je nach Anforderungen an den Mischer (Durchfluss, Mischrate usw.) beliebig und können z.B. durch vorherige Simulationen bestimmt werden.
Bei dem gezeigten kreisförmigen Grundriss des fluidischen Mischers können die Stufen kreissegmentartig innerhalb des kreisförmigen Grundrisses angeordnet sein, wobei die Stufe bezüglich der Gesamthöhe des Strömungskanals eine Höhe aufweist, die ein Übereinanderanordnen der Teilströmung ermöglicht. Beispielsweise kann die Höhe einer Stufe etwa die Hälfte der Gesamthöhe des Strömungskanals betragen.
In den 1C und 1D sind weitere Varianten des Mischers gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt. Anstelle eines kreisförmigen Strömungsteilerelements 2 ist in 1C ein viereckiges bzw. rautenförmiges Strömungsteilerelement und in 1D ein linsenförmiges Teilerelement vorgesehen. Die Ausbildung der Stufen in den Teilkanälen ist im Wesentlichen beliebig, es ist lediglich notwendig, dass in einem der Teilkanäle die Stufe erst mit der Zusammenführung der Teilkanäle endet, während die Stufe in dem jeweiligen anderen Teilkanal so gestaltet sein sollte, dass im Wesentlichen ein gleicher Strömungswiderstand gewährleistet wird und dass die Stufe vor der Zusammenführung der Teilkanäle endet.
Durch das wiederholte Aufteilen des Flüssigkeitsstromes in zwei Teilströmungen und durch anschließendes Wiederzusammenführen der Teilströme in einer anderen Anordnung wird die Grenzfläche zwischen den zwei zu vermischenden Flüssigkeitsströmungen vergrößert, so dass ein Mischen der beiden Flüssigkeiten durch Diffusion schneller erfolgen kann, als dies ohne Mischerelement der Fall wäre.
In einem quadratischen Kanal erhöht ein einfaches Drehen der Anordnung die Grenzfläche noch nicht, erst das wiederholte Teilen und gedrehte Anordnen führt dazu. Lediglich falls das Aspektverhältnis des Kanals deutlich vom Wert 1 abweicht, kann sich auch bereits nach einem Drehen der Anordnung eine Verbesserung der Mischung einstellen. Es ist daher im Allgemeinen sinnvoll, für eine optimale Mischeffizienz unabhängig von der Kanalform mehrere solcher Mischer in Serie anzuordnen, wie beispielsweise in 1B dargestellt ist.
Die in den 1A–1D dargestellten Mischer werden vorzugsweise in einem Halbleitersubstrat, insbesondere in einem Siliziumsubstrat gebildet, da dieses mit Hilfe bekannter Verfahren auf einfache Weise strukturiert werden kann. Es ist jedoch auch denkbar, dass solche Mischerstrukturen in anderen Materialien, wie beispielsweise Kunststoff, Glas und ähnlichem hergestellt werden können.
Ein Halbleitersubstrat aus Silizium ist insbesondere deshalb geeignet, da die Mischerstruktur in bekannter Weise mit einer im Wesentlichen unstrukturierten Platte aus geeignetem Material, z. B. Borosilicatglas, durch anodisches Bonden verschlossen werden kann, so dass abgeschlossene Flüssigkeitskanäle gebildet werden.
In den 2A bis 2D ist das Herstellungsverfahren für den fluidischen Mischer gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt. Im ersten Schritt wird auf eine geeignete Halbleiteroberfläche z.B. ein Wafersubstrat oder eine auf ein Substrat aufgebrachte erste Funktionsschicht 10, z. B. eine Epitaxieschicht, z.B. aus Silizium, eine geeignete Ätzstoppschicht, z.B. Siliziumdioxid SiO₂, mittels eines geeigneten Verfahrens (z.B. thermisches Oxidieren, CVD-Verfahren oder Ähnliches) aufgebracht und strukturiert. Die erste Funktionsschicht 10 ist beispielsweise aus Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium in Form von Epipoly-Silizium, das mit einer Polysilizium-Startschicht und einer polykristallinen Epitaxieschicht aufgebracht würde. Die Strukturierung der Ätzstopschicht erfolgt beispielsweise durch nasschemisches oder Trockenätzen. Die Strukturierung wird entsprechend der in 1A dargestellten Stufenstrukturen ausgeführt, d. h. die Ätz stoppschicht 11 stoppt den Ätzprozess im Bereich der Stufenstrukturen. Eine Draufsicht der Struktur der Ätzstoppschicht 11 ist auf der Darstellung der rechten Seite der 2A gezeigt.
Als nächster Schritt wird eine zweite Funktionsschicht 12 des Halbleitermaterials mit einem geeigneten Epitaxieverfahren oder Ähnlichem aufgebracht. Beispielsweise kann als zweite Funktionsschicht 12 ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium in Form von Epipoly-Silizium mit einer Polysiliziumstartschicht und einer polykristallinen Epitaxieschicht aufgebracht werden. Die Dicken der ersten und der zweiten Funktionsschicht 10, 12 richten sich nach der notwendigen Dicke der Teilkanäle über und neben den Stufen 3, 4.
Nach dem Auftragen der zweiten Funktionsschicht wird die Oberfläche der zweiten Funktionsschicht so bearbeitet, dass eine bondbare Oberfläche entsteht. Beispielsweise kann die bondbare Oberfläche durch Polieren erzeugt werden. Diese Schicht wird anschließend durch anisotropes Ätzen, beispielsweise mit einem Trench-Ätzverfahren strukturiert. Dazu wird eine geeignete Ätzmaskierung mit Hilfe von Fotolack an der Oberfläche durchgeführt. Die Fotolackstruktur 13 in der 2B zeigt das Aussparen des Strömungsteilerelementes von dem nachfolgenden Tiefenätzverfahren.
Das Ergebnis des Tiefenätzverfahrens ist in 2C dargestellt. Die gestrichelten Abschnitte verdeutlichen die vor oder hinter der Schnittlinie verbliebenen Bereiche der ersten bzw. zweiten Funktionsschicht.
Das anisotrope Ätzen wird im Bereich der Stufen, wo die Ätzstoppschicht 11 nicht entfernt wurde, an dieser gestoppt, die anderen Bereiche werden weiter in die Tiefe geätzt. In der oberen Halbleiterschicht bildet sich so die Maskierung durch den Fotolack vollständig ab. Die Halbleiterschicht unterhalb der Ätzstoppschicht (die erste Funktionsschicht) wird als Schnittmenge der oberen Maskierung durch den Fotolack 13 mit der Strukturierung der Ätzstoppschicht 11 geätzt. Es können so mit einem Tiefenätzschritt gleichzeitig mehrere Stufen in dem Halbleitersubstrat realisiert werden. Das Ätzen der unteren Halbleiterschicht erfolgt gemäß einer vorgegebenen Zeit, wodurch die Tiefe der Ätzung der ersten Funktionsschicht und somit die Höhe der Stufen 6, 7 bestimmt werden kann. Es kann jedoch auch eine weitere unterhalb der ersten Funktionsschicht 10 eingebrachte geeignete weitere Ätzstoppschicht den Ätzvorgang definiert stoppen.
Um den fluidischen Mischer fertig zu stellen, muss auf die verbliebene Oberfläche der zweiten Funktionsschicht 12 eine im Wesentlichen unstrukturierte Platte 14, z.B. aus Siliziumdioxid oder Ähnlichem durch eine geeignete Verbindungstechnik aufgebracht werden. Dadurch entstehen Flüssigkeitskanäle, die von der Umgebung abgeschlossen sind. Bei Verwendung eines Siliziumsubstrates ist die im Wesentlichen unstrukturierte Platte 14 aus einem geeigneten Material, vorzugsweise Borosilicatglas o. ä., gefertigt, das mit Hilfe von anodischem Bonden, Direktbonden oder Ähnlichem mit dem Siliziumsubstrat verbunden werden kann. Dadurch wird der fluidische Mischer dicht verschlossen und kann so eine Flüssigkeitsführung gewährleisten.
In 3A ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen fluidischen Mischers, die auf einem Substrat 25 mit einer ersten und einer zweiten Funktionsschicht 32, 34 aufgebaut ist, dargestellt. Die Aufteilung der Flüssigkeitsströmung erfolgt durch einen Durchlass 20 in einer Wandung 21 am Eintritt in das Mischerelement, d.h. an einer Verzweigung, die durch ein Strömungsteilerelement 22 gebildet wird. In 3B ist der Querschnitt entlang der Schnittlinie I-I dargestellt, worin man erkennt, dass der Flüssigkeitsstrom in zwei Teilströme in einem ersten Teilkanal 23 und in einem zweiten Teilkanal 24 aufgeteilt wird und hinter dem Strömungsteilerelement 22 wieder in einer Zusammenführung verei nigt werden. Die Zusammenführung der Teilströme erfolgt in vertikaler Anordnung, so dass die horizontal geteilten Teilströme eine neue Anordnung zueinander erhalten.
Der in der Wandung 21 hergestellte Durchlass 20 bildet eine Stufe gemäß dieser Erfindung und ist in beiden Teilkanälen des Mischers dieser zweiten Ausführungsform vorhanden, um einen gleichen Strömungswiderstand in beiden Teilkanälen 23, 24 sicherzustellen.
Um die vertikale Zusammenführung der Teilströme zu erreichen, ist der Durchlass 21 in dem ersten Teilkanal 23 im Wesentlichen im Bereich der Zusammenführung der Teilkanäle angeordnet.
Damit die Flüssigkeitsströme in unterschiedlichen Fließebenen in die Zusammenführung eingeleitet werden können, müssen für die Flüssigkeitsströme unterschiedliche Ebenen vorgesehen werden. Die gepunktet dargestellten Flächen in der 3A stellen eine erste Fließebene dar, die in der 3B als E1 gekennzeichnet ist. Die gestrichelt dargestellten Flächen der 3A stellen eine zweite Fließebene dar, die in Abbildung 3B als zweite Ebene E2 dargestellt ist. Man erkennt, dass bei der Zusammenführung hinter dem Durchlass 21 im ersten Teilkanal 23 der erste Teilstrom im Wesentlichen nahe der zweiten Fließebene E2 in die Zusammenführung einströmt, während der zweite Teilstrom durch den zweiten Teilkanal 24 auf der ersten Fließebene E1 zu der Zusammenführung hingeführt wird. Dadurch legen sich die beiden Teilströme vertikal übereinander.
In den 4A bis 4C ist das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Mischers gemäß der zweiten Ausführungsform dargestellt. Auf ein geeignetes Substrat, vorzugsweise jedoch Siliziumsubstrat, wird eine Opferschicht 26 geeigneter Dicke, die sich ebenfalls als Ätzstoppschicht nutzen lässt, aufgebaut. Die Opferschicht 26 ist vorzugsweise aus Silizium dioxid gebildet. Auf die Opferschicht 26 wird die erste Funktionsschicht 32 aufgebracht, die aus einer Startschicht 27 und einer darauf abgeschiedenen ersten Epitaxieschicht 28 aufgebaut sein kann. Auf diese erste Epitaxieschicht 28 wird eine geeignete Ätzstoppschicht 33 aufgebracht und wie dargestellt strukturiert. Die Strukturierung entspricht im Wesentlichen der Formgebung der ersten Fließebene E1, wie in 3B dargestellt.
Auf die so hergestellte Schichtenstruktur wird gemäß 4B zum Aufbringen einer zweiten Funktionsschicht 34 erneut eine weitere Startschicht 29 und darauf eine zweite Epitaxieschicht 30 abgeschieden. Auf die zweite Epitaxieschicht 30 wird eine Maskierungsschicht 31 so aufgebracht, dass die Bereiche des Zulaufkanals, des Ablaufkanals und der Teilkanäle (siehe 3B) für einen nachfolgenden Ätzprozess zugänglich sind, während die übrigen Bereiche im Wesentlichen nicht durch den Ätzprozess angegriffen werden können. In 4B ist die Schichtstruktur vor dem Tiefenätzprozess dargestellt. In 4C erkennt man die sich bildende Struktur nach dem Tiefenätzprozess. Der Ätzprozess endet an den Ätzstoppschichten 26, 33, die vorzugsweise aus Siliziumdioxid gebildet sind.
Der anisotrope Ätzschritt, der die Ätzstoppschicht 26 (Opferschicht) an den erforderlichen Bereichen freilegt, ätzt Stufen in das Schichtsystem, wie in 4C gezeigt. Die Opferschicht fungiert gleichzeitig als Ätzstoppschicht, an der der anisotrope Ätzschritt endet. Falls Opferschicht und Ätzstoppschicht in getrennten Schichten ausgebildet sind, muss gewährleistet sein, dass der Ätzschritt auf jeden Fall durch die Opferschicht durchätzt, um diese freistellen zu können.
Anschließend wird durch ein geeignetes selektives Ätzen der Opferschicht (z.B. Gasphasenätzen mit HF-Dampf bei einem Siliziumschichtsystem mit SiO₂-Opferschicht) die Opferschicht vollständig entfernt. Da das Gasphasenätzen isotrop abläuft, erfolgen Unterätzungen der Opferschicht, wobei die unter der Wandung 21 befindliche Opferschicht so weit beidseitig unterätzt wird, dass der Durchlass 20 gebildet wird.
Durch anschließendes Verbinden mit einer unstrukturierten Platte (z.B. Wafer), durch anodisches Bonden oder Direktbonden wird die Mischerstruktur verschlossen und ein Mischer gebildet.

1: Zuleitungskanal
2: Strömungsteilerelement
3: erster Teilkanal
4: zweiter Teilkanal
5: Ablaufkanal
6: erste Stufe
7: zweite Stufe
10: erste Funktionsschicht
11: Ätzstoppschicht
12: zweite Funktionsschicht
13: Fotolackstruktur
14: unstrukturierte Platte
20: Durchlass
21: Wandung
22: Strömungsteilerelement
23: erster Teilkanal
24: zweiter Teilkanal
25: Substrat
26: Opferschicht
27: erste Startschicht
28: erste Epitaxieschicht
29: zweite Startschicht
30: zweite Epitaxieschicht
31: Maskierungsschicht
32: erste Funktionsschicht
33: Ätzstoppschicht
34: zweite Funktionsschicht

Claims

Integrierter fluidischer Mischer zum Mischen von durchströmenden Flüssigkeiten, mit mindestens einem Flüssigkeitskanal (1), um die zu mischenden Flüssigkeiten zuzuleiten, mit mindestens einer Verzweigung, um den Flüssigkeitskanal in einen ersten und einen zweiten Teilkanal (4, 3, 23, 24) aufzuteilen, wobei in dem ersten Teilkanal (4) eine Stufe (7) angeordnet ist, wobei die Teilkanäle (4, 3, 23, 24) hinter der Verzweigung in einer Zusammenführung zusammengeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe in dem ersten Teilkanal (4, 23) so angeordnet ist, dass ein strömungsabgewandtes Ende der Stufe (7) im Wesentlichen an der Zusammenführung der beiden Teilkanäle (4, 3, 23, 24) angeordnet ist, wobei der zweite Teilkanal (3, 24) so ausgebildet ist, dass er den gleichen Strömungswiderstand wie der erste Teilkanal (4) aufweist, wobei eine Begrenzung der Teilkanäle (4, 3, 23, 24) durch eine im Wesentlichen unstrukturierte Platte (14) gebildet ist.
Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilkanal (3, 24) eine weitere Stufe (6) aufweist, die so ausgebildet ist, dass ihr strömungsabgewandtes Ende vor der Zusammenführung der Teilkanäle (4, 3, 23, 24) endet und dass die weitere Stufe (6) den gleichen Strömungswiderstand in dem zweiten Teilkanal (4) bewirkt.
Mischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweigung und die Zusammenführung durch ein im Flüssigkeitskanal angeordnetes Element (2) gebildet ist.
Mischer nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine im Wesentlichen kreisförmige, viereckige oder ovale Grundrissfläche.
Mischer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer mit einem Substrat aus Silizium, Keramik, Glas und/oder Kunststoff ausgebildet ist.
Mischer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen (6, 7) in den Teilkanälen (4, 3) so angeordnet sind, dass die Teilkanäle (4, 3) im Wesentlichen den gleichen Strömungswiderstand aufweisen.
Mischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen in den beiden Teilkanälen (4, 3) auf der gleichen Innenwandseite angeordnet sind.
Mischer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe als Durchlass in einer Wand-Struktur des Mischers gebildet ist, wobei der Durchlass in dem ersten Teilkanal (23) in ausreichendem Abstand zur Zusammenführung, z. B. nahe der Verzweigung und in dem zweiten Teilkanal nahe der Zusammenführung angeordnet ist.
Mischer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Durchlass (20) in dem ersten Teilkanal (4, 23) die Struktur des Teilkanals so gestaltet ist, um den Flüssigkeitsstrom in eine erste Ebene zu leiten und wobei die Struktur des zweiten Teilkanals (3, 24) so gestaltet ist, um den Flüssigkeitsstrom zu dem entsprechenden Durchlass (20) nahe der Zusammenführung zu leiten, um den Flüssigkeitsstrom in einer zweiten Ebene in die Zusammenführung auszugeben.
Mischeranordnung mit mehreren Mischern nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die hintereinander auf einem Substrat angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines fluidischen Mischers mit einer geschlossenen Mischerstruktur, wobei in ein Substratmaterial über Formgebungs- und Abscheideverfahren eine nach oben hin offene Mischerstruktur eingebracht wird, wobei an schließend die Mischerstruktur mit einer im Wesentlichen unstrukturierten Platte abgedeckt wird, um die geschlossene Mischerstruktur zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Mischerstruktur mit einem Flüssigkeitskanal (1) zum Zuleiten von Flüssigkeit, mit einer Verzweigung zum Aufteilen des Flüssigkeitskanals (1) in zwei Teilkanäle (4, 3, 23, 24) und einer Stufe in mindestens einem der Teilkanäle (4, 3, 23, 24) gebildet wird, wobei auf einer ersten Funktionsschicht (32) eine Ätzstoppschicht (33) aufgebracht wird und diese so strukturiert wird, dass bei einem Ätzen die Stufen (6, 7) gebildet werden, wobei auf der ersten Funktionsschicht (32) und der Ätzstoppschicht (33) eine zweite Funktionsschicht (34) aufgebracht wird, wobei ein Tiefenätzprozess ausgeführt wird, wobei die zweite Funktionsschicht gemäß einer vorgegebenen Kanal-Strukturierung geätzt wird, wobei der Tiefenätzprozess an der Ätzstoppschicht (33) gestoppt wird und die erste Funktionsschicht (32) entsprechend der Strukturierung der Ätzstoppschicht (33) geätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Funktionsschicht (32) auf das Substrat (25) aufgebracht wird oder in dem Substrat (25) umfasst ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Oberfläche der zweiten Funktionsschicht (34) so bearbeitet wird, dass eine bondbare Oberfläche entsteht, wobei die unstrukturierte Platte mit der bondbaren Oberfläche verbondet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Mischerstruktur mit einem Flüssigkeitskanal (1) zum Zuleiten von Flüssigkeit, mit einer Verzweigung zum Aufteilen des Flüssigkeitskanals in zwei Teilkanäle (4, 3, 23, 24) und mit Stufen (7, 6) in jedem der Teilkanäle (4, 3, 23, 24) gebildet wird, wobei auf einem Substrat (25) eine Opferschicht (26) aufge bracht wird, wobei eine erste Funktionsschicht (32) auf der Opferschicht (26) aufgebracht wird, wobei eine Ätzstoppschicht (33) auf die erste Funktionsschicht (32) aufgebracht wird und diese strukturiert wird, wobei auf der ersten Funktionsschicht (32) und der strukturierten Ätzstoppschicht (33) eine zweite Funktionsschicht (34) aufgebracht wird, wobei ein Tiefenätzprozess ausgeführt wird, wobei die erste und die zweite Funktionsschicht (34) gemäß einer vorgegebenen Kanal-Strukturierung geätzt wird, wobei der Tiefenätzprozess an der Ätzstoppschicht (33) gestoppt wird, so dass die abgedeckte erste Funktionsschicht (32) verbleibt, wobei nach Durchätzen der ersten Funktionsschicht (32) die Opferschicht (26) geätzt wird, wobei Unterätzungen unter die erste Funktionsschicht (32) erfolgen, wobei unter einer durch die erste Funktionsschicht (32) gebildeten Wandstruktur die Opferschicht (26) im Wesentlichen so geätzt wird, dass ein Durchlass durch die Wandstruktur entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (32, 34) aus Silizium, vorzugsweise aus einem Epipoly-Schichtsystem mit einer Startschicht (27, 29) und einer polykristallinen Siliziumschicht (28, 30), gebildet sind und dass die Ätzstoppschichten (33) aus Siliziumdioxid gebildet sind.