DE19526897A1 - Mikroventil mit verbundenen Schichten und Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Mikroventil nach der Gat­ tung des unabhängigen Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Herstellung eines Mikroventiles nach den unabhängigen Ansprüchen 8, 12 und 16. Es ist schon ein Mikroventil aus verbundenen Schichten aus der DE-OS 42 21 089 bekannt. Das dort beschriebene Mikroventil besteht aus drei schichtförmig auf­ einandergesetzten Bauteilen. Diese Bauteile bestehen aus Kunststoffmaterial oder aus Aluminium. Das Schließglied des Mikroventils besteht aus einem abgeformten Kunststoff, der metallisches Pulver enthält, und ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Zur Herstellung des Ventils werden Kunststofform­ prozesse, insbesondere Spritzgießen oder Prägen, zur Struk­ turierung verwendet. Die Festigkeit oder die chemische Widerstandsfähigkeit von den verwendeten Kunststoffen ist nicht immer optimal an vorgegebene Arbeitsumgebungen ange­ paßt.

Ein mikromechanisches Herstellungsverfahren, das sogenannte LIGA-Verfahren wird z. B. bei Ehrfeld "The LIGA Process for Microsystems", Micro System Technologies 90, Springer Verlag, Berlin, September 1990, S. 521 ff. beschrieben.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Mikroventil mit den Merkmalen des unab­ hängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß das Schließglied aus Metall besteht. Dadurch hat das Schließ­ glied alle positiven Metalleigenschaften. So weist das Schließglied den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metall auf, ist duktil und kostengünstig herzustellen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Schließglied aus zwei Metallstücken aufgebaut ist. Mit Hilfe von entsprechend strukturierten Wafern ist es möglich, durch ein Zusammenfü­ gen zweier Wafer eine Vielzahl von Schließgliedern in einem Verfahrensschritt herzustellen. Ein zusätzlicher Vorteil des Mikroventils beruht darin, daß vertikale Toleranzen des Füge- bzw. Verbindungsprozesses der Teilstücke die Funktion des Mikroventils nicht beeinträchtigt. Die erfindungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 8 und 12 haben demgegenüber den Vorteil, daß ein Mikroventil bzw. Teile eines Mikroventiles kostengünstig und auf einfache Weise aus Metall herstellbar sind. Das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 8 bietet den Vorteil, daß das Schließ­ glied fest mit einer metallischen Membran verbunden ist. Da­ mit ist eine hohe Belastung der Verbindung Schließ­ glied/Membran möglich. Zudem verwendet das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 8 ein kostengünstiges Prägeverfahren. Das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 12 bietet weiterhin den Vorteil, daß eine exakte Justierung des Schließgliedes auf den Ventilsitz ohne aktive Justiermaßnahmen erfolgt. Zudem wird mit Hilfe einer Opfer­ schicht die Paßform zwischen Ventilsitz und Schließglied op­ timiert. Dadurch wird die Dichtheit sichergestellt. Die un­ abhängigen Ansprüche 8 und 12 haben den Vorteil, daß alle kritischen Maße durch einmal definierte Stempel definiert werden und damit reproduzierbar herstellbar sind.

Durch die in den Unteransprüchen angeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unab­ hängigen Anspruchs 1 angegebenen Mikroventils und der in den unabhängigen Ansprüchen 8 und 12 angegebenen Verfahren mög­ lich. Besonders vorteilhaft ist es, das Mikroventil als druckausgeglichenes Mikroventil auszubilden, wobei der Druckausgleich zwischen einer Fläche der Membran und einer Fläche des Schließgliedes erfolgt. Da das Schließglied fest mit der Membran verbunden ist, werden Drücke, die auf das Schließglied und die Membran einwirken, ausgeglichen.

Die Membran wird in vorteilhafter Weise als Metallfolie aus­ gebildet. Weiterhin ist es von Vorteil, die Ventilkammer des Mikroventils, in der das Schließglied eingebracht ist, aus zwei miteinander verbundenen metallischen Teilstücken aufzu­ bauen. Auf diese Weise ist die Ventilkammer sehr robust und kostengünstig herzustellen, da die Ventilkammer und das Schließglied gleichzeitig zusammengefügt werden.

Eine vorteilhafte Ausbildung des Ventilsitzes besteht darin, die Kante des Ventilsitzes, die dem Schließglied am nächsten liegt, als spitz zulaufende Kante auszubilden. Dadurch wird eine erhöhte Zerstäubung des Druckmittels erreicht. Dies ist insbesondere bei Verwendung des Mikroventiles als Einspritz­ ventil in einem Kraftfahrzeug von Vorteil. In vorteilhafter Weise sind die metallischen Teilstücke und/oder die Metall­ stücke des Mikroventils über eine Fügeschicht fest miteinan­ der verbunden. Die Gesamthöhe des Mikroventils bzw. des Schließgliedes wird nicht über den Fügeprozeß definiert, sondern über die Höhe der jeweiligen Galvanikschichten bzw. über die abschließenden Schleif- und/oder Polierprozesse eingestellt.

Die relative Höhe zwischen Ventilkammer und Schließglied wird über die Dicke der Vorspannungsschicht in Verbindung mit dem Fügewerkzeug bzw. Fügeverfahren eingestellt.

Das Verfahren zur Herstellung der metallischen Ventilkammer und des metallischen Schließgliedes wird verbessert, indem der Stempel beim Abprägen der Form nur bis zu einem vorgege­ benen Abstand in dem Bereich, in dem das Schließglied mit der Membran verbunden ist, an die Membran gepreßt wird und der verbleibende Rest des abformbaren Werkstoffes mit Hilfe eines Plasmaätzverfahrens oder einer Laserablation entfernt wird. Dadurch wird sichergestellt, daß in den Bereichen der Membranfolie, in denen Metall aufgebracht werden soll, kein Rest des abformbaren Materials mehr vorhanden ist.

Die Auffüllung der Form mit Metall erfolgt in vorteilhafter Weise in drei Verfahrensschritten. Im ersten Verfahrens­ schritt wird in einem Galvanikprozeß nach einer Haftschicht eine erste Metallschicht aufgebracht. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt eine Haftschicht auf den ab­ geformten Werkstoff aufgebracht. Dadurch wird die Abschei­ dung einer zweiten Metallschicht auf den abgeformten Werk­ stoff ermöglicht. Abschließend wird in einem dritten Verfah­ rens schritt ebenfalls mit einem Galvanikprozeß eine zweite Metallschicht aufgebracht, die auf eine entsprechende Höhe abgeschliffen wird.

In vorteilhafter Weise wird das Verfahren nach Anspruch 12 dadurch verbessert, daß eine Schicht zur Erzeugung einer de­ finierten Vorspannung auf das Schließglied gebracht wird. Damit wird erreicht, daß nach dem Fügeprozeß und nach dem Abätzen der Opferschicht eine Vorspannung der Membran im ge­ schlossenen Zustand erreicht wird.

Zur besseren Justierung des zweiten Stempel s ist es von Vor­ teil, eine Justiermarke mit Hilfe des ersten Stempels abzu­ prägen, so daß der zweite Stempel auf die Justiermarke justiert werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, ein Mikroventil aus zwei Tei­ len herzustellen, die nach dem Verfahren nach Anspruch 8 und/oder nach dem Verfahren nach Anspruch 12 hergestellt wurden, wobei ein erster Teil eines Schließgliedes über eine Fügeschicht mit einem zweiten Teil eines Schließgliedes und ein erster Teil einer Ventilkammer über eine Fügeschicht mit einem zweiten Teil einer Ventilkammer zusammengefügt wird und anschließend die Opferschicht, die zwischen dem Ventil­ sitz und dem zweiten Teil des Schließgliedes angeordnet ist, entfernt wird. Auf diese Weise wird mit Hilfe eines ein­ fachen Fügeverfahrens ein metallisches Mikroventil herge­ stellt, in welchem die Fügefläche nicht durch eine Zugspan­ nung aufgrund der Druckbeaufschlagung beansprucht wird. Das Herstellungsverfahren ist einfach und kostengünstig aus zu­ führen. Ebenso ist das Fügeverfahren für einen Full-Wafer- Prozeß geeignet, wobei auf einem ersten Wafer mehrere erste Teile eines Schließgliedes und mehrere erste Teile einer Ventilkammer angeordnet sind und auf einem zweiten Wafer mehrere zweite Teile eines Schließgliedes mit Ventilsitz und mehrere zweite Teile einer Ventilkammer angeordnet sind. Diese Wafer werden dann mit Hilfe des beschriebenen Fügeverfahrens zusammengefügt. Somit ist eine einfache Herstellung mehrerer Mikroventile mit Hilfe eines Fügevorganges möglich.

Der wesentliche Vorteil der beschriebenen Verfahren besteht darin, daß bei gleichzeitig hoher Präzision in der Einhal­ tung funktionsrelevanter Abmessungen im µm-Bereich die Ver­ fahren fehlertolerant sind und gut für eine Großserienferti­ gung geeignet sind.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Mikroventil im Querschnitt, Fig. 2 ein Verfahren zur Herstellung eines ersten Teiles eines Schließgliedes und eines ersten Teiles einer Ventil­ kammer, Fig. 3 ein Verfahren zur Herstellung eines zweiten Teiles eines Schließgliedes mit Ventilsitz und eines zweiten Teiles einer Ventilkammer und Fig. 4 ein Fügeverfahren zur Herstellung eines Mikroventiles.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Mikroventil in Form eines Sitzventiles mit einem Ventilsitz 1, der als runde, plattenförmige Scheibe ausgebildet ist, in die mittig eine runde Ausnehmung für den Auslaß 12 eingebracht ist. Auf den Ventilsitz ist ein ring­ förmiger zweiter Teil 2 einer Ventilkammer aufgebracht. Der Innenradius des zweiten Teiles 2 der Ventilkammer ist so ausgebildet, daß ein Schließglied 18 im Innenradius Platz hat. Auf dem zweiten Teil 2 der Ventilkammer ist über eine Fügeschicht 4 ein erster Teil 3 der Ventilkammer aufge­ bracht, der vorzugsweise den gleichen Außen- und Innenradius aufweist wie der zweite Teil 2 der Ventilkammer. Auf dem ringförmigen ersten Teil 3 der Ventilkammer ist eine Membran 6 angeordnet. Im Innenradius des ersten und zweiten Teiles 3, 2 der Ventilkammer ist ein Schließglied 18 angeordnet, das auf der Membran 6 befestigt ist und zwischen der Membran 6 auf dem Ventilsitz 1 angeordnet ist. Das Schließglied 18 besteht aus einem ersten Metallstück 9, das mit der Membran 6 über eine kreisförmige Fläche 19 fest verbunden ist. Das erste Metallstück 9 geht in Richtung auf den Ventilsitz 1 von einer ersten Kreisscheibe mit einem ersten Radius in eine zweite Kreisscheibe mit einem zweiten Radius über. Der zweite Radius ist größer als der erste Radius und kleiner als der Innenradius des ringförmigen ersten Teiles 3 der Ventilkammer. Auf der freiliegenden Kreisfläche des ersten Metallstückes 9, die parallel zum Ventilsitz 1 angeordnet ist, ist eine scheibenförmige Fügeschicht 4 aufgebracht. Auf der Fügeschicht 4 ist eine kreisscheibenförmige Vorspan­ nungsschicht 5 aufgebracht. Auf der Vorspannungsschicht 5 ist ein zweites Metallstück 8 angeordnet. Das zweite Metall­ stück 8 besteht aus einer kreisscheibenförmigen Platte, auf der in Richtung auf den Ventilsitz 1 eine ringförmige Wulst aufgebracht ist, die als Dichtlippe des Schließgliedes 18 dient. Die Dichtlippe des Schließgliedes 18 liegt am Ventil­ sitz 1 an. Im zweiten Teil 2 der Ventilkammer ist ein Einlaß 10 eingebracht. In der Mitte des ersten Metallstückes ist eine erste Justierausnehmung 16 eingebracht, die beispiels­ weise eine Zylinderform (auch konisch möglich) aufweist und in der Verbindungsrichtung von der Membran 6 zum Ventilsitz 1 in länglicher Richtung angeordnet ist. Die erste Justier­ ausnehmung 16 weist einen dritten Radius auf. Im zweiten Me­ tallstück 8 ist eine zweite Justierausnehmung 17 einge­ bracht, die eine Zylinderform mit einem vierten Radius dar­ stellt. Die Justierausnehmung 17 kann auch kegelförmig aus­ gebildet sein. Die Längsachse der Justierausnehmung ist senkrecht zur Membranebene ausgerichtet. Der vierte Radius der Justierausrichtung 17 ist größer als der dritte Radius der ersten Justierausnehmung 16. Die Membran 6 ist auf der dem Schließglied 18 gegenüberliegenden Seite mit einem Antrieb 7 verbunden. Der Ventilsitz 1, der zweite Teil 2 der Ventilkammer, der erste Teil 3 der Ventilkammer und die Membran 6 bilden eine Ventilkammer, in der das Schließglied 18 eingebracht ist. Das Schließglied 18 ist von einem ringförmigen Hohlraum 13 umgeben. Dem ringförmigen Hohlraum 13 ist über den Einlaß 10 ein Druckmittel zuführbar. Durch Betätigung des Antriebes 7 ist die Membran 6 in Richtung weg vom Ventilsitz 1 bewegbar, so daß die Dichtlippe des zweiten Metallstückes 8 sich vom Ventilsitz 1 entfernt und somit eine Auslaßöffnung vom Hohlraum 13 zum Auslaß 12 freigegeben wird. Die Membran 6 steht unter Vorspannung in der Weise, daß das Schließglied 18 gegen den Ventilsitz 1 gedrückt wird. Somit ist das Mikroventil im Normalzustand geschlos­ sen.

Das erste Metallstück 9 ist mit der Membran 6 fest verbun­ den. Das erste Metallstück 9 weist eine ringscheibenförmige erste Druckfläche 14 auf, die annähernd parallel zur Membran 6 angeordnet ist. Die Membran 6 stellt eine ringscheibenför­ mige zweite Druckfläche 15 dar, die an den Hohlraum 13 grenzt. Ein im Hohlraum 13 wirkender Druck greift an der ersten Druckfläche 14 des Schließgliedes 18 und an der zwei­ ten Druckfläche 15 der Membran 6 in entgegengesetzter Rich­ tung an. Auf diese Weise wird ein Druckausgleich auf das Schließglied 18 erreicht. Da die Membran 6 beidseitig einge­ spannt ist, das Schließglied hingegen nur einseitig einge­ spannt ist, erfolgt ein Druckausgleich durch die erste und zweite Druckfläche 14, 15 die nicht gleich groß sind. Der Druckausgleich wird nicht exakt, sondern nur annähernd exakt erreicht.

Die beschriebene Form des Mikroventiles ist beispielhaft dargestellt. So kann der Ventilsitz 1 auch eine Ausnehmung in anderer Form aufweisen. Das Schließglied 18 kann auch ohne die erste und zweite Justierausnehmung 16, 17 ausgebildet sein. Das Schließglied 18 kann auch in einer Rechteckform oder in beliebig anderen Formen ausgebildet sein. Ebenso ist die Ringform des ersten Teiles 3 und des zweiten Teiles 2 der Ventilkammer nicht notwendig. Der zweite Teil 2 und der erste Teil 3 der Ventilkammer können auch z. B. die Form eines rechteckigen Rahmens aufweisen.

Der Ventilsitz 1 weist als Auslaß 12 vorzugsweise eine trichterförmige Form auf, wobei sich die Trichterform in Richtung auf das Schließglied verjüngt. Dadurch ist die an das Schließglied angrenzende Kante 11 spitz zulaufend, wo­ durch eine verbesserte Zerstäubungsfunktion z. B. beim Ein­ spritzen von Kraftstoff erreicht wird.

Fig. 2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung des ersten Tei­ les 3 der Ventilkammer, der Membran 6 und des ersten Metall­ stückes 9. In Fig. 2.1 ist eine metallische Grundplatte 20 dargestellt, auf der über eine dielektrische Schicht 21 mit­ tels elektrostatischer Kräfte eine Membran 6 aufgebracht ist. Die Membran 6 ist als Metallfolie ausgebildet. Als Me­ tallfolie werden Federwerkstoffe wie z. B. Nickel-Berillium, Kupfer-Berillium, amorphe Metalle unterschiedlicher Zusam­ mensetzung oder auch Stahl verwendet. Die Befestigung der Membran 6 kann auch durch Auflaminieren mit z. B. Riston oder durch Ansaugen erfolgen. Auf der Membran 6 wird ein abform­ barer Werkstoff 22, in diesem Fall vorzugsweise Polymethyl­ metacrylat (z. B. PMMA), in einer Dicke von ca. 300 Mikrome­ ter aufgebracht. Es ist von Vorteil, einen zweilagigen Kunststoff (PMMA) als abformbaren Werkstoff 22 zu verwenden, wobei eine dünne Lage 24, die auf der Membran 6 aufgebracht ist, bezüglich der Hafteigenschaften optimiert ist und eine dicke Lage 23, die auf der dünnen Lage aufgebracht ist, gut verformbar ist. Der zweilagige Kunststoff ist in Fig. 2.1 mit Hilfe der gestrichelten Linie schematisch angedeutet.

In Fig. 2.2 ist der mit Hilfe eines ersten, zweistufigen Stempels abgeformte Werkstoff 22 dargestellt. In den Werk­ stoff 22 sind mit Hilfe eines ersten Stempels eine erste Form 26 und eine zweite Form 25 eingeprägt. Die erste Form 26 stellt die Form des ersten Metallstückes 9 dar. Die zwei­ te Form 25 stellt die Form des ersten Teiles 3 der Ventil­ kammer dar. Das Einprägen erfolgt z. B. bei einer Temperatur von 150 Grad und einem Druck von 10 bis 20 Bar. Die Entfer­ nung des ersten Stempels erfolgt z. B. bei einer Temperatur von 50 Grad. Der erste Stempel wird nicht bis auf die Mem­ bran 6 gedrückt. Es verbleibt eine Restschichtdicke von un­ gefähr 10-50 Mikrometern an den niedrigsten Stellen des Werkstoffes 22 auf der Membran 6. Die Restschicht wird an­ schließend entfernt. Dazu werden z. B. Plasmaätzverfahren oder Laserablation verwendet. Die Fig. 2.3 zeigt einen Werkstoff 22 nach dem Entfernen der Restschichten.

Anschließend wird in einem galvanischen Prozeß eine erste Metallschicht 28 auf die Bereiche der Membran 6 aufgebracht, die vollständig von dem Werkstoff 22 befreit wurden. Da für den Galvanikprozeß eine metallische Oberfläche notwendig ist, erfolgt die Aufbringung der ersten Metallschicht 28 nur bis zu einer ersten Stufe des abgeformten Werkstoffes 22. Als Material für die erste Metallschicht 28 wird z. B. Nickel, Eisen-Nickel, Nickel-Kobalt, oder Nickel-Phosphor verwendet. Anschließend wird auf die Oberflächen der ersten Metallschicht 28 und des abgeformten Werkstoffes 22 eine Haftschicht 27 in Form einer dünnen leitenden Schicht (z. B. einer Schichtfolge von Chrom/Kupfer) aufgebracht. Die Haft­ schicht 27 wird z. B. mittels Sputtern aufgebracht. Die auf­ gebrachte Haftschicht ist in Fig. 2.5 dargestellt.

Anschließend erfolgt die Aufbringung einer zweiten Metall­ schicht 29. Dies ist in Fig. 2.6 dargestellt. Die zweite Metallschicht 29 wird aus dem gleichen Material wie die erste Metallschicht 28 aufgebaut. Die zweite Metallschicht 29 ist in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr 200 Mikrometer dick. Durch Abdrehen oder Abschleifen und Polieren wird die zweite Metallschicht 29 auf eine vorgegebene Dicke abge­ schliffen. Dies ist in Fig. 2.7 dargestellt. Anschließend wird auf das erhaltene erste Metallstück 9 eine struktu­ rierte Fügeschicht 4 mit einem elektrochemischen Verfahren aufgebracht. Die Strukturierung erfolgt fotolithographisch. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fügeschicht 4 zwischen 5 bis 10 Mikrometer dick und z. B. aus Bleizinn hergestellt. Der Fotolack und der abformbare Werkstoff 22 werden ab­ schließend naßchemisch entfernt. Ebenso wird die Grundplatte 20 und die elektrostatische Schicht 21 von der Membran 6 ab­ gelöst. Somit ist in Fig. 2.8 eine Membran 6 dargestellt, auf der ein ringförmiger Teil 3 einer Ventilkammer aufge­ bracht ist. Innerhalb des Innenradius des ersten Teils 3 der Ventilkammer ist ein erstes Metallstück 9 angebracht, das mit der Membran 6 fest verbunden ist. Im ersten Metallstück 9 ist eine erste Justierausnehmung 16 eingebracht. Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, eine exakte Ju­ stierung des ersten Metallstückes 9, innerhalb einer Ventil­ kammer, die durch das erste Teil 3 dargestellt ist, zu er­ reichen. Auf diese Weise wird die erste Druckfläche 14 und die zweite Druckfläche 15 in der Fläche exakt festgelegt.

Fig. 3 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Ventil­ sitzes 1, auf den ein ringförmiger zweiter Teil einer Ven­ tilkammer aufgebracht ist, wobei im Innenradius des zweiten Teiles 2 der Ventilkammer das zweite Metallstück 8 über eine Opferschicht 32 auf den Auslaß des Ventilsitzes 1 justiert fest verbunden ist. Das zweite Metallstück 8 stellt einen zweiten Teil eines Schließgliedes 18 dar.

In Fig. 3.1 ist eine metallische Grundplatte 20 darge­ stellt, auf der ein abformbarer Werkstoff 22 (PMMA) aufge­ bracht ist. In den Werkstoff 22 wird mit Hilfe eines ent­ sprechend ausgebildeten zweiten Stempels eine Form des Ven­ tilsitzes 1 eingeprägt. Der zweite Stempel weist eine Form einer Justierhilfe 35 auf, so daß in den Werkstoff 22 auch eine Form der Justierhilfe 35 eingeprägt wird. Anschließend wird entsprechend der Verfahren, die in den Fig. 2.2, 2.3 und 2.4 dargestellt sind, eine Freilegung der Grundplatte 20 in den entsprechenden Bereichen durchgeführt und die Form mit Metall mit Hilfe eines Galvanikprozesses aufgefüllt. An­ schließend wird die aufgefüllte Metallschicht auf eine vor­ gegebene Dicke abgeschliffen. Somit wird eine Grundplatte 20 erhalten, auf der ein Ventilsitz 1 aufgebracht ist, der einen Auslaßtrichter 30 und eine Justierhilfe 35 aufweist, wobei der Auslaßtrichter 30 und die Justierhilfe 35 mit Werkstoff 22 aufgefüllt sind. Als Werkstoff 22 wird Polyme­ thylmetacrylat (PMMA) verwendet. Dies ist in Fig. 3.2 dargestellt.

Daraufhin wird auf den Ventilsitz 1 eine Lackschicht 31 auf­ gebracht, die fotolithographisch strukturiert und im Bereich des späteren Dichtsitzes nahe des Auslaßtrichters 30 frei geätzt wird. In dem frei geätzten Bereich wird eine dünne Schicht als Opferschicht 32 aufgesputtert oder aufgedampft, wie in Fig. 3.3 dargestellt ist. Die Opferschicht 32 be­ steht beispielsweise aus Titan.

Anschließend wird eine weitere Schicht Werkstoff 22 aufge­ bracht. In den Werkstoff 22 wird mit Hilfe eines Formstem­ pels die Form 33 des zweiten Metallstückes und die Form 34 des zweiten Teils der Ventilkammer eingeprägt. Der dritte Stempel weist eine Justiernase 36 auf, die beim Einprägen in die Justierhilfe 35 des Ventilsitzes 1 eingepaßt wird. Somit wird eine exakte Justierung des dritten Stempels erreicht. Dies ist in Fig. 3.4 dargestellt. Die verwendete weitere Schicht des Werkstoffes 22 ist in diesem Fall mit einer Höhe von ca. 300 Mikrometern aufgetragen.

Anschließend werden die Bereiche, in denen das zweite Me­ tallstück 8 mit der Opferschicht 32 bzw. der zweite Teil 2 der Ventilkammer mit dem Ventilsitz 2 verbunden werden, mit Plasmaätzen oder Laserablation freigelegt und anschließend eine erste Metallschicht 28 in einem Galvanikprozeß aufge­ bracht. Daraufhin wird auf den abgeformten Werkstoff 22 und die erste Metallschicht 28 eine Haftschicht 27 aufgebracht. Die Haftschicht 27 stellt eine Metallisierung dar, die bei einem Nickel-Galvanik-Prozeß vorzugsweise aus einer Chrom/Kupfer-Legierung besteht. Dies ist in Fig. 3.5 darge­ stellt.

Anschließend wird mit Hilfe des Galvanikprozesses eine zweite Metallschicht 29 aufgebracht, die auf eine vorgegebe­ ne Dicke abgeschliffen wird. Die vorgegebene Dicke wird durch die Höhe des zweiten Teils 2 der Ventilkammer bzw. des zweiten Metallstückes 8 festgelegt. Dieser Zustand ist in Fig. 3.6 dargestellt.

Dann wird eine Fotolackschicht 31 aufgebracht, die in den Bereichen des zweiten Metallstückes 8 fotolitographisch strukturiert und freigeätzt wird. Die freigelegten Flächen des zweiten Metallstückes 8 werden mit einer Vorspannungs­ schicht 5 belegt. Dies erfolgt in einem Galvanikprozeß, wo­ bei evtl. vorher eine Haftschicht aufgebracht wird. Die Vor­ spannungsschicht 5 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ca. 5 Mikrometer. Dies ist in Fig. 3.7 dargestellt.

Anschließend wird nach Ablösung des Photolacks 31, und er­ neuter fotolithographischer Strukturierung mit einer Lack­ schicht, auf die Vorspannungsschicht 5 und das zweite Teil 2 eine Fügeschicht 4 aufgebracht. Daraufhin werden die Lack­ schicht, der Werkstoff 22 und die Grundplatte 20 entfernt. Somit wird ein Ventilsitz 1 erhalten, auf den ein ringförmi­ ger zweiter Teil 2 einer Ventilkammer aufgebracht ist. Im Innenradius des zweiten Teiles 2 der Ventilkammer ist ein zweites Metallstück 8 angeordnet. Das zweite Metallstück 8 ist über eine Opferschicht 32 fest mit dem Ventilsitz 1 ver­ bunden, wobei das zweite Metallstück 8 in Bezug auf den Aus­ laßtrichter 30 des Ventilsitzes 1 justiert ist. Dies ist in Fig. 3.8 dargestellt. Durch Verwendung eines Prägestempels wird eine exakte Justierung des zweiten Metallstückes 8 in Bezug auf den ringförmigen zweiten Teil 2 der Ventilkammer gewährleistet.

Fig. 4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Mikroven­ tiles aus den zwei nach Fig. 2 und Fig. 3 hergestellten Teilen. Das erste Metallstück 9 und das zweite Metallstück 8 sowie der erste Teil 3 der Ventilkammer und der zweite Teil 2 der Ventilkammer werden aufeinander exakt justiert. Dies erfolgt z. B. über die erste Justierausnehmung 16 und die zweite Justierausnehmung 17. Anschließend werden mit Hilfe eines speziellen Fügewerkzeuges 36 die Teile mit einem defi­ nierten Druck und einer definierten Temperatur mit den Füge­ schichten 4 zusammengepreßt. Der Teil des Fügewerkzeugs 36, der am ersten Metallstück 9 anliegt, ist so ausgebildet, daß die Membran 6 beim Fügeverfahren eine definierte Vorspannung erhält. Die Fügeschichten des ersten und zweiten Metall­ stückes 9, 8 verbinden sich miteinander, so daß ein Schließ­ glied 18 erhalten wird, das aus zwei zusammengefügten Teilen besteht. Ebenso verbindet sich der erste Teil 3 und der zweite Teil 2 der Ventilkammer über entsprechende Füge­ schichten 4.

Anschließend wird die Opferschicht 32, die zwischen dem zweiten Metallstück 8 und dem Ventilsitz 1 angeordnet ist, mit Hilfe eines Ätzverfahrens entfernt.

Beim Zusammenpressen der Ventilteile durch das Fügewerkzeug 36 wird die Membran 6 ausgelenkt. Die Größe der Membranaus­ lenkung wird durch die Konstruktion des Fügewerkzeugs be­ stimmt. Das Fügewerkzeug 36 ist so ausgebildet, daß die vor­ gegebene Größe der Membranauslenkung der Dicke der Vorspann­ ungsschicht 5 entspricht. Während des Fügeprozesses ist das Fügemittel der Fügeschicht 4 kurzfristig in einem deformier­ baren Zustand. In dieser Phase werden Maßabweichungen wie z. B. die Dicke der Vorspannungsschicht 5, so wie unter­ schiedliche Ebenheiten, in gewissen Grenzen ausgeglichen. Dies wird durch eine Variation der Gesamtdicke der Füge­ schicht 4 ermöglicht.

Die Größe der Fläche, die mit der Fügeschicht 4 bedeckt wird, muß mit den Fügeparametern (Druck, Temperatur) so ab­ gestimmt sein, daß nur soviel Fügemittel aus der Fügeschicht herausgedrückt wird, daß kein Fügemittel auf die Membran 6 tropfen kann.

Anschließend wird das Fügewerkzeug 36 entfernt und auf die Membran 6 ein Antrieb 7 aufgebracht.

Auf diese Weise wird mit Hilfe eines einfachen Verfahrens ein metallisches Mikroventil hergestellt. Der erste, der zweite und der dritte Stempel werden beispielsweise mit Hilfe des lithographischen, galvanischen Abformungsverfahren (LIGA) oder nach feinmechanischen Verfahren hergestellt. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung des ersten, des zweiten und des dritten Stempels besteht darin, diese entsprechend den Verfahren der Fig. 2 bzw. der Fig. 3 mit Hilfe eines abgeprägten Werkstoffes 22 herzustellen.

Ein Vorteil des gesamten Herstellungsverfahrens besteht darin, daß alle für die Funktion des Bauteils wichtigen Ab­ messungen durch einmal hergestellte Stempel reproduzierbar definiert sind.

Claims (16)

1. Mikroventil aus übereinander angeordneten, miteinander ver­ bundenen Schichten, wobei mindestens eine Schicht mindestens teilweise aus einem metallischen Material gebildet ist, mit wenigstens einem Einlaß (10) und einem Auslaß (12) und einem dazwischen geschalteten Ventilsitz (1), dem ein Schließglied (18) zugeordnet ist, das durch Betätigungsmittel (7) auslenkbar ist, wobei das Schließglied (18) mit einer Membran (6) fest verbunden ist, die ihrerseits mit einer Schicht (3) fest ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließglied (18) aus mindestens zwei, fest miteinander verbundenen Metallstücken (8, 9) aufgebaut ist.

2. Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (6) an einen mit Druckmittel beaufschlagten Hohlraum (13) grenzt, und daß das Schließglied (18) eine der mit Druck beaufschlagten Membran (6) entgegenwirkende Druckausgleichs­ fläche (14) aufweist.

3. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Membran (6) als Metallfolie ausgebildet ist.

4. Mikroventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventilkammer, in der das Schließglied (18) eingebracht ist, zwei metallische, fest miteinander verbundenen Teilstücke (2, 3) aufweist.

5. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Auslaß (12) des Ventilsitzes (1) in Rich­ tung auf das Schließglied (18) nach innen verjüngend zuläuft und die Kante (11) des Ventilsitzes (1), die dem Schließglied am nächsten liegt, spitz zulaufend ausgebildet ist.

6. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die metallischen Teilstücke (2, 3) und die Metallstücke (8, 9) über eine Fügeschicht (4) fest miteinander verbunden sind.

7. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den Metallstücken (8, 9) eine Vor­ spannungsschicht (5) angeordnet ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils, wobei eine metallische Membran (6) mit einer metallischen Ventilkammer (3) verbunden ist und ein metallisches Schließglied (18) auf der Membran (6) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (6) auf einer metallischen Grundplatte (20) be­ festigt wird, daß auf die Membran (6) ein abformbarer Werkstoff (22), insbesondere Polymethylmethacrylat (PMMA), aufgebracht wird, daß mit Hilfe eines entsprechend geformten ersten Stempel s eine Form (25) der Ventilkammer und eine Form (26) des Schließ­ gliedes (18) in den Werkstoff (22) eingeprägt wird, daß darauf­ hin die abgeprägten Formen mit Metall gefüllt werden und ab­ schließend der abformbare Werkstoff (22) und die Grundplatte (20) entfernt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stempel in den Bereichen, in denen das Schließ­ glied (18) mit der Membran (6) verbunden wird, bis kurz vor die Membran (6) gepreßt wird, und daß der verbleibende Rest des Werkstoffes (22) mit Hilfe von Plasmaätzverfahren oder Laserab­ lation entfernt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach dem Einprägen der Formen (25, 26) mit einem Galvanikprozeß eine erste Metallschicht (28) aufgebracht wird, daß anschließend eine Haftschicht (27) auf den abgeformten Werkstoff (22) aufgebracht wird, daß dann mit einem Galvanik­ prozeß eine zweite Metallschicht (29) aufgebracht wird, und daß abschließend die zweite Metallschicht (29) bis zu einer vorge­ gebenen Höhe abgetragen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß anstelle der metallischen Ventilkammer ein erster Teil (3) einer metallischen Ventilkammer und anstelle des Schließgliedes (18) ein erster Teil (9) eines metallischen Schließgliedes (18) hergestellt wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils mit einem Schließglied (18), das auf einen Ventilsitz (1) justiert ausge­ richtet ist und mit einer Ventilkammer, in der das Schließglied (18) eingebracht ist und mit der der Ventilsitz (1) fest ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine metallische Grundplatte (20) ein abformbarer Werkstoff (22), insbesondere Polymethylmethacrylat, aufgebracht wird, daß in den Werkstoff (22) mit Hilfe eines entsprechend geformten zweiten Stempels die Form eines Ventilauslasses (30) eingeprägt wird, daß die abgeformte Form mit Metall gefüllt wird, daß anschließend über den Bereich des späteren Ventilsitzes nahe des Ventilauslasses (30) eine Opferschicht (32) aufgebracht wird, daß dann eine zweite Schicht eines abformbaren Werkstoffes (22) aufgebracht wird, daß diese zweite Schicht mit einem zweiten Stempel abgeformt wird, der eine Form (33) des Schließgliedes und eine Form (34) der Ventilkammer darstellt, daß die Form (33, 34) des Schließgliedes und der Ventilkammer mit Metall gefüllt wird, und daß abschließend der abformbare Werkstoff (22) und die Grundplatte (20) entfernt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Schließglied (18) eine Vorspannungsschicht (5) aufgebracht wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Ventilsitz (1) eine Justiernut (35) eingebracht wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß anstelle einer metallischen Ventilkammer ein zweiter Teil (2) einer metallischen Ventilkammer und anstelle eines metallischen Schließgliedes ein zweiter Teil (8) eines metallischen Schließgliedes hergestellt wird.

16. Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine erste metallische Schicht, die einen ersten Teil (9) eines Schließgliedes und einen ersten Teil (3) einer Ventilkammer aufweist, mit einer zweiten metallischen Schicht, die einen zweiten Teil (8) eines Schließgliedes, der mit einem Ventilsitz (1) über eine Opferschicht (32) justiert verbunden ist und einen zweiten Teil (2) einer Ventilkammer aufweist, über eine Fügeschicht (4) justiert zusammengefügt werden, und daß anschließend die Opferschicht (32) entfernt wird.