DE19534137A1

DE19534137A1 - Mikro-Ventilanordnung

Info

Publication number: DE19534137A1
Application number: DE1995134137
Authority: DE
Inventors: Joerg Burgold; Lothar Dressler; Michael Fischer; Torsten Gerlach
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1995-09-14
Publication date: 1997-03-20

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Mikroventil für Flüssigkeiten und Gase.

In der Technik sind Mikroventile bekannt, die aus mehreren Materialschichten aufgebaut und mit Ferti gungsmethoden der Halbleitertechnologie auf der Ba sis von Silizium hergestellt sind. Solche Ventil strukturen enthalten in der Regel einen den Strö mungskanalquerschnitt konzentrisch umfassenden, meist ringförmigen Ventilsitz, auf dem eine elasti sche Membran aufliegt und so den Strömungskanal verschließt. Wird die Membran durch eine geeignete Antriebseinrichtung vom Ventilsitz wegbewegt, bil det sich zwischen Ventilsitz und Membran ein Ringspalt aus, der eine Durchströmung gewährlei stet; das Ventil ist geöffnet.

Da der Strömungskanal vom Ventilsitz umschlossen ist, muß er zwingend durch den Siliziumwafer hin durch verlaufen, das heißt Ein- und Auslaßöffnung des Kanalabschnittes im Wafer befinden sich auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Wafers. Daraus folgt, daß auch an der dem Ventilsitz gegen überliegenden, meist unteren Seite eine den Kanal umschließende Abdeckschicht, etwa eine Glasfolie, angebracht werden muß. Nachteilig bei diesen Ven tilstrukturen ist demnach, daß eine zweiseitige Be arbeitung des Wafers sowie ein zusätzlicher Füge prozeß für die Glasmembran erforderlich sind, wo raus sich ein relativ hoher Fertigungsaufwand und hohe Herstellungskosten ergeben. Weiterhin ist nachteilig, daß die konzeptionell beanspruchte Rückseite des Siliziumwafers nicht für die Integra tion anderer Funktionsgruppen verwendet werden kann, so daß die erzielbare Packungsdichte einge schränkt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Mikro ventil zu schaffen, das von einer Waferseite her definiert und somit durch einseitige Bearbeitung des Wafers herstellbar ist, das aufgrund seines raumsparenden Aufbaus gut integrierbar ist, das un kompliziert aufgebaut, in einer geringen Anzahl von Prozeßschritten herstellbar ist und ein sicheres Schließen und Öffnen des Strömungsweges gewährlei stet.

Die Aufgabe wird mit einer Mikro-Ventilanordnung, die im wesentlichen besteht aus einem Abschnitt ei nes Strömungskanals, einem Ventilsitz, einem Ven tilkörper, der bei Aufliegen auf dem Ventilsitz den Strömungskanal verschließt, und einem mikromechani schen Antrieb für die Bewegung des Ventilkörpers, dadurch gelöst, daß in die Oberfläche einer ebenen Materialschicht zwei nebeneinanderliegende, durch einen Steg mit geringer Breite voneinander ge trennte und etwa gleich große Vertiefungen eingear beitet sind. Die Oberfläche der Materialschicht ist zumindest über die Vertiefungen und deren Randbe reiche hinweg mit einer elastischen Membran so überdeckt, daß jede Vertiefung eine geschlossene Kammer darstellt. Die Membran ist an den Randberei chen der Vertiefungen, d. h. umlaufend um die Vertiefungen, nicht jedoch im Bereich des Steges, hermetisch mit der Materialschicht verbunden. Durch die lose Auflage der Membran auf die Material schicht im Bereich des Steges ist die Membran über dem Steg um einen geringen Betrag abhebbar. An die ser Position ist die Membran mit dem mikromechani schen Antrieb verbunden. Jede der beiden unter der Membran als Kammern eingeschlossenen Vertiefungen ist über einen Strömungskanal von außen zugänglich.

Als Halbleiterschicht sollte vorteilhafterweise (100)-orientiertes Silizium vorgesehen sein.

Die Membran kann aus einer Glasfolie bestehen, die durch anodisches Bonden auf der Siliziumschicht be festigt ist, wobei die Bondung auf der Stegoberflä che durch geeignete Maßnahmen, z. B. durch eine lokale Siliziumoxid-Schicht, verhindert werden sollte.

Als mikromechanischer Antrieb kann ein Piezoelement vorgesehen und mit der Membran zu einer Bimorph-Struktur verbunden sein.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausfüh rungsbeispieles erläutert werden. In den zugehöri gen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch das Mikroventil im geschlossenen Zustand,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Mikroventil im geöffneten Zustand,

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Mikroventil.

In Fig. 1 sind in die Oberfläche einer ebenen Halbleiterschicht 1, vorteilhafterweise (100)-ori entiertes Silizium, zwei nebeneinanderliegende, durch einen Steg 2 voneinander getrennte Vertiefun gen 3, 4 eingearbeitet. Der Steg 2 hat eine im Ver hältnis zu den Vertiefungen 3, 4 geringe Breite; die beiden Vertiefungen 3, 4 sind, ihre Ausdehnung in allen drei Koordinaten betreffend, etwa gleich groß. Die Oberfläche der Halbleiterschicht 1 ist über die Vertiefungen und deren Randbereiche 5 hin weg mit einer elastischen Membran 6 so überdeckt, daß die Vertiefung 3 wie auch die Vertiefung 4 eine geschlossene Kammer darstellt. Die Membran 6 ist an den Randbereichen 5, d. h. umlaufend um die Vertie fungen 3, 4, durch anodisches Bonden hermetisch mit der Halbleiterschicht 1 verbunden. Ausgenommen von dieser Verbindung ist der Bereich des Steges 2; hier liegt die Membran 6 lose auf der Halbleiter schicht 1 auf. Über dem Bereich des Steges 2 ist die Membran 6 mit einem Piezoplättchen 7 zu einer Bimoph-Struktur verbunden. Die unter der Membran 6 als Kammer eingeschlossene Vertiefung 3 ist über einen Strömungskanal 8, die ebenfalls als Kammer eingeschlossene Vertiefung 4 über einen Strömungs kanal 9 von außen zugänglich.

Das Öffnen des Mikroventiles erfolgt durch das An heben der Membran 6 über dem Steg 2, ausgelöst durch die Ansteuerung des Piezoplättchens 7. Durch das Anheben der Membran 6 wird über dem Steg 2 ein Spalt frei, der die Strömung einer Flüssigkeit oder eines Gases vom Strömungskanal 8 über die Vertiefung 3, den Steg 2 und die Vertiefung 4 zum Strömungskanal 9 oder umgekehrt ermöglicht; das Ventil ist geöffnet. Wird die Ansteuerung des Pie zoplättchens 7 negiert, fällt die Membran 6 ab, der Spalt zwischen Membran 6 und Steg 2 wird geschlos sen, der Strömungsweg ist gesperrt.

Bezugszeichenliste

1 Halbleiterschicht
2 Steg
3, 4 Vertiefungen
5 Randbereiche
6 Membran
7 Piezoplättchen
8, 9 Strömungskanäle

Claims

1. Mikro-Ventilanordnung, im wesentlichen bestehend aus einem Abschnitt eines Strömungskanals, einem Ventilsitz, einem Ventilkörper, der bei Aufliegen auf dem Ventilsitz den Strömungskanal verschließt, und einem mikromechanischen Antrieb für die Bewe gung des Ventilkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Oberfläche einer ebenen Materialschicht (1), zwei nebeneinanderliegende, durch einen Steg (2) geringer Breite voneinander getrennte, etwa gleich große Vertiefungen (3, 4) eingearbeitet sind,
- die Oberfläche der Materialschicht (1), zumindest über die Vertiefungen (3, 4) und deren Randbereiche (5) hinweg, einschließlich des Steges (2), mit ei ner elastischen Membran (6) abgedeckt ist,
- die Materialschicht (1) und die Membran (6) an den Randbereichen (5) der Vertiefungen (3, 4) umlau fend, jedoch nicht im Bereich des Steges (2), her metisch miteinander verbunden sind,
- die Membran (6) an einer Position über dem Steg (2) mit dem mikromechanischen Antrieb verbunden ist und
- daß jede der beiden zwischen Materialschicht (1) und Membran (6) als Kammern eingeschlossenen Ver tiefungen (3, 4) über einen Strömungskanal (8, 9) von außen zugänglich ist.

2. Mikro-Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialschicht (100)-ori entiertes Silizium vorgesehen ist.

3. Mikro-Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran (6) eine Glasfolie auf die Siliziumschicht aufgebondet ist.

4. Mikro-Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als mikromechanischer Antrieb ein Piezoelement (7) vorgesehen und mit der Membran (6) zu einer Bimorph-Struktur verbunden ist.