DE19650116C1 - Mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flußrestrik­ tionsvorrichtung und insbesondere auf eine mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung
Mikromechanisch gefertigte Fluidkanäle sind beispielsweise auf dem Gebiet der Flüssigkeitsdosierung bekannt. Ein einfa­ ches Dosierungssystem besteht beispielsweise aus einem Fluidreservoir, einen Druckgeber und einem Fluidkanal mit einem definierten Flußwiderstand.

In der Technik sind ferner mikromechanisch gefertigte Multi­ sensoren für eine Fluß-, Temperatur- und Druck-Messung be­ kannt. Derartige Systeme weisen eine mikromechanische Kapil­ lare auf der Rückseite eines Substrats und auf der Vorder­ seite eines Substrats angeordnete piezoelektrische Drucksen­ soren auf. Nachteilig an derartigen bekannten Systemen sind die aufwendige Herstellung und ferner die hohen Kosten der piezoelektrischen Drucksensoren.

Aus der DD 2 85 188 A5 ist ein eine Kapillare aufweisender Durchflußsensor zur kontinuierlichen Messungen von Gasvolu­ menströmen bekannt. Bei diesem bekannten Durchflußsensor wird durch einen Druckabfall über eine Kapillare ein Diffe­ renzdruck zwischen einem Eingangsstauraum und einem Aus­ gangsstauraum bewirkt. Dieser Differenzdruck wird mittels einer eine verstimmbare Widerstandsmeßbrücke aufweisenden Membran erfaßt und als Maß für einen Gasvolumenstrom verwen­ det.

In den Patent Abstracts of Japan, Sect. P, Vol. 17 (1993), Nr. 550 (P-1624), JP 5-157 599 (A), ist ein Flußratenerfassungselement be­ schrieben, das einen kleinen Kanal aufweist, wobei innerhalb der Kanalwände desselben ein Druckerfassungselement angeord­ net ist. Der erfaßte Druck dient zum Regeln der Flüssig­ keitsflußrate, wobei eine feine Steuerung der Transportge­ schwindigkeit der Flüssigkeit erreicht werden kann.

Die Druckschrift "Einsatz von Siliziumsensoren in Prozeßmeß­ geräten zur Druckmessung - Stand und Tendenzen", Technisches Messen 59 (1992) 9, S. 340-346, enthält eine Erläuterung von piezoresistiven und kapazitiven Siliziumsensoren und de­ ren Anwendungsgebieten.

In der EP 0 435 237 A1 ist ein elektronisches Mikroventil be­ schrieben, das aus einem Siliziumsubstrat und einer freiste­ henden, flexiblen, dielektrischen Verschlußplatte besteht, wobei zwischen der Verschlußplatte und dem Siliziumsubstrat ein Zwischenraum angeordnet ist. Das Siliziumsubstrat weist eine Einlaßöffnung auf, während in der Veschlußplatte Aus­ laßöffnungen derart vorgesehen sind, daß die Verschlußplatte die Einlaßöffnung in einem nicht-angeregten Zustand offen läßt und in einem angeregten Zustand verschließt.

Die DE 38 14 150 A1 bezieht sich ebenfalls auf eine Ventilan­ ordnung aus mikrostrukturierten Komponenten. Bei dieser Ven­ tilanordnung ist ein Betätigungselement relativ zu einem Strömungswegverteiler bewegbar, um dadurch je nach Schalt­ position Fluidwege freizugeben oder zu verschließen.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine kostengünsti­ ge und einfache mikromechanisch gefertigte Flußrestriktions­ vorrichtung mit zumindest einem integrierten Drucksensor zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanisch ge­ fertigte Flußrestriktionsvorrichtung, bei der in einer er­ sten Hauptoberfläche eines Substrats eine Durchlaßöffnung bzw. eine Einlaßöffnung gebildet ist. In der zweiten Haupt­ oberfläche des Substrats ist ein Kanal gebildet, der mit der Einlaßöffnung fluidmäßig verbunden ist. Eine in dem Substrat gebildete Membran steht mit der Einlaßöffnung in Fluidver­ bindung, wobei zumindest auf der Membran eine Membranelek­ trode gebildet ist. Eine Abdeckvorrichtung ist auf die zwei­ te Hauptoberfläche des Substrats aufgebracht, derart, daß die Abdeckvorrichtung zusammen mit dem Kanal einen Flußwi­ derstand der Flußrestriktionsvorrichtung definiert, wobei die Abdeckvorrichtung eine Gegenelektrode aufweist, die der Membranelektrode beabstandet von derselben gegenüberliegt, derart, daß die Membranelektrode und die Gegenelektrode ei­ nen kapazitiven Druckaufnehmer definieren.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der ersten Hauptoberfläche des Substrats ferner eine mit dem Kanal fluidmäßig verbundene zweite Durchlaßöffnung bzw. Auslaßöffnung gebildet, die mit einer zweiten in dem Substrat gebildeten Membran, die mit einer Membranelektrode versehen ist, in fliudmäßiger Verbindung steht. Die Abdeckvorrichtung weist eine zweite Gegenelektro­ de auf, die der zweiten Membranelektrode beabstandet von derselben gegenüberliegt, derart, daß die zweite Membran­ elektrode und die zweite Gegenelektrode einen kapazitiven Druckaufnehmer definieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die mikromechanische gefertigte Struktur somit eine Flußrestriktionsvorrichtung und zwei Drucksensoren auf, wo­ bei einer der Drucksensoren in Flußrichtung vor dem den Flußwiderstand definierenden Kanal gebildet ist, während der andere Drucksensor in Flußrichtung hinter dem den Flußwider­ stand definierenden Kanal gebildet ist.

Bei der mikromechanisch gefertigten Flußrestriktionsvorrich­ tung gemäß der vorliegenden Erfindung dient die Abdeckvor­ richtung sowohl zur Definition der Restriktion der Flußre­ striktionsvorrichtung als auch als Gegenelektrode des zumin­ dest einen Drucksensors, der als kapazitiver Sensor ausge­ bildet ist. Somit werden nur zwei Chipteile, das Substrat und die Abdeckvorrichtung, benötigt. Vorzugsweise ist sowohl die Abdeckvorrichtung als auch das Substrat aus Silizium ge­ bildet, wobei es jedoch auch möglich ist, daß die Abdeckvor­ richtung aus Pyrexglas besteht, das den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Silizium aufweist.

Die bei der erfindungsgemäßen Flußrestriktionsvorrichtung gebildeten kapazitiven Sensoren sind kostengünstig herzu­ stellen und weisen einen geringen Temperaturgang auf. Somit wird keine Kompensationselektronik benötigt. Auf dem Fluß­ meßchip, der durch die mikromechanisch gefertigte Flußre­ striktionsvorrichtung gebildet ist, ist vorzugsweise keine weitere Elektronik angeordnet, da ein derartiger Flußmeßchip mit Gammastrahlen desinfiziert wird. Eine solche Gammastrah­ lung würde eine auf dem Chip befindliche Elektronik, bei­ spielsweise MOS-FETs und dergleichen, zerstören.

Die erfindungsgemäße Flußrestriktionsvorrichtung kann bei­ spielsweise vorteilhaft in einem Dosiersystem, das nach dem Überdruckprinzip arbeitet, eingesetzt werden. Bei einem wei­ teren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in dem Bereich des Kanals der Flußrestriktionsvorrichtung fer­ ner ein Temperatursensor angeordnet, so daß mittels der er­ findungsgemäßen Flußrestriktionsvorrichtung zusammen mit ei­ ner geeigneten Steuervorrichtung die Möglichkeit einer Kom­ pensation von Temperatureffekten besteht. Ferner kann in diesem Fall eine externe Beeinflussung der Dosierrate be­ wirkt werden. Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäße Flußrestriktionsvorrichtung umfassen die Medizintechnik, beispielsweise die Medikamentendosierung, die chemische Analytik und Reaktionstechnik, beispielsweise die Feindosie­ rung von Chemikalien, den Maschinenbau, beispielsweise bei der Schmieröldosierung, sowie die Biotechnologie, beispiels­ weise die Dosierung von Nährmedien in Fermentationsprozes­ sen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittansicht eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels einer Flußrestriktionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 eine Draufsicht der in Fig. 1 dargestellten Fluß­ restriktionsvorrichtung ohne Abdeckvorrichtung.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist die erfindungsgemäße mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung ein Substrat 10 auf, das bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Silizium besteht. In der in Fig. 1 nach unten gerichte­ ten Hauptoberfläche des Substrats 10 sind eine Einlaßöffnung 12 und eine Auslaßöffnung 14 gebildet. In der zweiten Haupt­ oberfläche des Substrats 10, bei der Darstellung von Fig. 1 der oberen Oberfläche, ist eine Ausnehmung 16 gebildet, die den Kanal der Flußrestriktionsvorrichtung definiert. Die Ausnehmung 16 ist derart in dem Substrat gebildet, daß die­ selbe eine Verbindung zu der Einlaßöffnung 12 und der Aus­ laßöffnung 14 aufweist, die bei der späteren Verwendung des Bauelementes als Fluidverbindung zwischen der Einlaßöffnung 12 und dem Kanal 16 sowie dem Kanal 16 und der Auslaßöffnung 14 dient.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in der zweiten Hauptoberfläche des Substrats 10 ferner zwei Ausnehmungen 18 und 19 definiert, die zumindest teilweise der Einlaßöffnung 12 und der Auslaßöffnung 14 gegenüberlie­ gend angeordnet sind. Durch den zwischen der Ausnehmung 18 und der Einlaßöffnung 12 verbleibenden Teil des Substrats 10 ist eine Membran 22 gebildet. Durch den zwischen der Ausneh­ mung 20 und der Auslaßöffnung 14 verbleibenden Teil des Sub­ strats 10 ist eine weitere Membran 24 gebildet. Auf der Mem­ bran 22 ist eine Membranelektrode 26 gebildet. Die Membran­ elektrode 26 kann beispielsweise durch das Aufbringen einer Metallisierungsschicht gebildet sein. Auf der Membran 24 ist eine Membranelektrode 28 gebildet. Die Membranelektrode 28 kann wiederum beispielsweise mittels einer Metallisierungs­ schicht gebildet sein. Zwischen der Metallisierung, die die Elektroden 26 und 28 bildet, und dem Substrat kann ferner eine Isolationsschicht angebracht sein. Die Membranelektro­ den 26 und 28 sind vorzugsweise nach außen hin verlängert, um einen elektrischen Anschluß derselben zu ermöglichen.

Auf die zweite Hauptoberfläche des Substrats 10 ist nun eine Abdeckvorrichtung 30 aufgebracht, die in dem Bereich, in dem der Kanal 16 in dem Substrat 10 gebildet ist, zusammen mit dem Kanal 16 den Flußwiderstand der Flußrestriktionsvorrich­ tung definiert. Dieser Flußwiderstand ist durch die Quer­ schnittfläche des Kanals 16, die von der Unterseite und den zwei Seitenflächen der Ausnehmungen sowie der Unterseite der Abdeckvorrichtung 30 definiert ist, festgelegt. Die Abdeck­ vorrichtung 30 weist auf ihrer Unterseite ferner zwei Gegen­ elektroden 32 und 34 auf, die gegenüber den Membranelektro­ den 26 und 28 beabstandet von denselben angeordnet sind.

Die Beabstandung der Membranelektroden von den Gegenelektro­ den ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Ausnehmungen 18 und 20 in dem Substrat 10 gewähr­ leistet. Alternativ könnten die Membranelektroden jedoch auf der zweiten Hauptoberfläche des Substrats gebildet sein, wo­ bei die Abdeckvorrichtung 30 in dem Bereich, in dem die Ge­ genelektroden 32 und 34 gebildet sind, Ausnehmungen auf­ weist, so daß wiederum ein definierter Abstand zwischen den jeweiligen Membranelektroden und Gegenelektroden vorliegt. Ferner ist es möglich, daß sowohl die Abdeckvorrichtung 30 als auch das Substrat 10 Ausnehmungen aufweisen, um den Ab­ stand zwischen den Membranelektroden und den Gegenelektroden zu definieren.

Die Gegenelektroden 32 und 34 sind ebenfalls vorzugsweise seitlich herausgeführt, um einen elektrischen Anschluß der­ selben zu ermöglichen. Im Bereich der Membranen 22 und 24 überlappen die Membranelektroden 26 und 28 und die Gegen­ elektroden 32 und 34 mit einem definierten Abstand zueinan­ der um eine definierte Fläche, so daß dieselben eine vorbe­ stimmte Kapazität festlegen. Liegt nun an der Einlaßöffnung 12 ein unter Druck gesetztes Fluid vor, so verformt sich die Membran 22 und somit die auf derselben vorliegende elasti­ sche Elektrode 26, wodurch die Kapazität der Elektrodenan­ ordnung 26 und 32 verändert wird. Somit kann der Druck an der Einlaßöffnung 12 bestimmt werden. In gleicher Weise ist es möglich, den Druck an der Auslaßöffnung 14 zu bestimmen.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht der in Fig. 1 dargestellten Flußrestriktionsvorrichtung gezeigt, bei der die Abdeckvor­ richtung weggelassen ist. In Fig. 2 ist dargestellt, wie die Membranelektroden 26 und 28 mit Zuführungsleitungen 40 und 42 versehen sind, die zur elektrischen Verbindung der Elek­ troden mit einer Auswertungsschaltung oder Steuereinrichtung dienen. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, weist bei dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel der Kanal 16 einen dreieckigen Querschnitt auf. Der Querschnitt kann jedoch alternativ ab­ hängig vom Herstellungsverfahren auch einen anderen Quer­ schnitt aufweisen, beispielsweise einen trapezförmigen Quer­ schnitt. In Fig. 2 ist ferner die Fluidverbindung 44 zwi­ schen der Einlaßöffnung 12 und dem Kanal 16 sowie die Fluid­ verbindung 46 zwischen dem Kanal 16 und der Auslaßöffnung 14 zu erkennen.

Die oben beschriebene mikromechanisch gefertigte Flußre­ striktionsvorrichtung kann beispielsweise aus Silizium mit­ tels herkömmlicher mikromechanischer Verfahrensschritte ge­ fertigt werden. Dabei werden zunächst die Ausnehmungen 12 und 14 beispielsweise mittels eines KOH-Ätzens wie darge­ stellt trapezförmig in die erste Hauptoberfläche des Sub­ strats 10 geätzt. In gleicher Weise werden beispielsweise mittels eines KOH-Ätzens der Kanal 16 mit einem dreieckigen oder trapezförmigen Querschnitt und die Ausnehmungen 18 und 20 in die zweite Hauptoberfläche des Substrats geätzt. Da­ durch sind sowohl der Kanal 16 als auch die Membranen für die Drucksensoren festgelegt. Beim Ätzen der Ausnehmungen 18 und 20 in der zweiten Hauptoberfläche des Substrats werden vorzugsweise gleichzeitig Ausnehmungen für die Zuführungs­ leitungen 40 und 42 geätzt.

Nachfolgend werden in den Ausnehmungen 18 und 20 die Mem­ branelektroden gebildet. Die Membranelektroden werden vor­ zugsweise durch das Aufbringen einer Metallisierung auf den Oberflächen der Ausnehmungen 18 und 20 gebildet, wobei gleichzeitig die Metallisierung für die Zuführungsleitungen 40 und 42 aufgebracht werden kann. Alternativ können die Membranelektroden auf der Oberseite der Membranen 22 und 24 durch eine geeignete Dotierung erzeugt werden.

Im Anschluß wird die Abdeckvorrichtung mittels herkömmlicher Chipverbindungstechniken auf der Oberseite des Substrats 10 angebracht. Die Abdeckvorrichtung 30 wird dabei derart ange­ bracht, daß die auf oder in der unteren Oberfläche derselben gebildeten Gegenelektroden 32 und 34 zumindest teilweise die Membranelektroden 22 und 24 überlappend angeordnet sind. Die Abdeckvorrichtung 30 besteht bei dem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel ebenfalls aus Silizium, wobei es jedoch vor­ teilhaft möglich ist, Pyrex-Glas für die obere Abdeckung 30 zu verwenden, da Pyrex-Glas den gleichen thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten wie Silizium aufweist. Besteht die obere Abdeckung aus Silizium, so kann zwischen den Gegenelektroden 32 und 34 und der oberen Abdeckung eine Isolationsschicht angeordnet sein.

Neben dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen, mikromechanisch gefertigten Flußrestrik­ tionsvorrichtung, können auch mikromechanische Spritzguß­ verfahren zur Herstellung derselben verwendet werden. Bei derartigen Verfahren werden das Substrat und/oder die Ab­ deckvorrichtung aus Kunststoff bestehen, wobei das Substrat und die Abdeckvorrichtung mittels geeigneter bekannter Tech­ niken miteinander verbunden sein könnten.

In Abweichung von dem beschriebenen bevorzugten Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, daß eine der beiden Öffnungen nicht in dem Substrat sondern in der Abdeckvorrichtung gebildet ist. In dem Substrat wäre dann nur eine Auslaßöffnung vorgesehen, wobei eine derartige Flußrestriktionsvorrichtung auch nur einen Drucksensor, der auf die oben beschriebene Art und Weise gebildet ist, auf­ weisen würde.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Mikroflußrestrik­ tion ferner an allen Teilen, die mit einem Fluid in Berüh­ rung kommen, eine Beschichtung aufweisen. Die Beschichtung schützt die Teile, die beispielsweise mit einem aggressiven Fluid in Berührung kommen, vor diesem Fluid. Beispielsweise können die Unterseite der Abdeckvorrichtung im Bereich des Kanals, der in dem Substrat gebildete Kanal, die Einlaß- und die Auslaß-Öffnung sowie die mit dem Fluid in Berührung kom­ mende Oberfläche der Membran mit einer solchen Schutzschicht versehen sein.

Die mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann mittels bekannter fluidischer Ankopplungen an bestehende Systeme angeschlossen werden. Dazu kann ein ein- oder mehrteiliges Gehäuse verwen­ det werden, das sogenannte Luer-Verbindungselemente und in­ terne Fluidkanäle passend zur Ein- und Auslaß-Geometrie der Flußrestriktionsvorrichtung aufweist. Die Flußrestriktions­ vorrichtung wird auf diese Ein- und Auslaßöffnungen durch ein dichtendes Montageverfahren, z. B. Kleben oder eine Mon­ tage mit O-Ringen, aufgesetzt.

Claims (10)

1. Mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer in einer ersten Hauptoberfläche eines Substrats (10) gebildeten Durchlaßöffnung (12);
einem in einer zweiten Hauptoberfläche des Substrats (10) gebildeten Kanal (16), der mit der Durchlaßöffnung (12) fluidmäßig verbunden ist;
einer in Fluidverbindung mit der Durchlaßöffnung (12) stehenden Membran (22), die in dem Substrat (10) gebil­ det ist;
einer zumindest auf der Membran (22) gebildeten Mem­ branelektrode (26);
einer Abdeckvorrichtung (30), die auf die zweite Haupt­ oberfläche des Substrats (10) aufgebracht ist, derart, daß die Abdeckvorrichtung (30) zusammen mit dem Kanal (16) einen Flußwiderstand der Flußrestriktionsvorrich­ tung definiert, wobei die Abdeckvorrichtung (30) eine Gegenelektrode (32) aufweist, die der Membranelektrode (26) beabstandet von derselben gegenüberliegt, derart, daß die Membranelektrode (26) und die Gegenelektrode (32) einen kapazitiven Druckaufnehmer definieren.

2. Mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der in der Abdeckvorrichtung (30) eine Durchlaßöffnung gebildet ist, die mit dem Kanal (16) fluidmäßig verbunden ist.

3. Mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der in der ersten Hauptoberflä­ che des Substrats (10) ferner eine zweite Durchlaßöff­ nung (14) gebildet ist, die mit dem Kanal (16) fluid­ mäßig verbunden ist.

4. Mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der in dem Substrat (10) eine mit der zweiten Durchlaßöffnung (14) in fluidmäßiger Ver­ bindung stehende zweite Membran (24) gebildet ist, wo­ bei zumindest auf der zweiten Membran (24) eine zweite Membranelektrode (28) gebildet ist, und bei der die Ab­ deckvorrichtung (30) eine zweite Gegenelektrode (34) aufweist, die der zweiten Membranelektrode (28) beab­ standet von derselben gegenüberliegt, derart, daß die zweite Membranelektrode (28) und die zweite Gegenelek­ trode (34) einen kapazitiven Druckaufnehmer definieren.

5. Mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der Ausnehmungen (18, 20) zumin­ dest teilweise den Durchlaßöffnungen (12, 14) gegen­ überliegend in der zweiten Hauptoberfläche des Sub­ strats gebildet sind, wobei die Membranen (22, 24) durch die Durchlaßöffnungen (12, 14) und die Ausnehmun­ gen (18, 20) definiert sind.

6. Mikromechanisch gefertigte Flußresriktionsvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Durchlaßöffnungen (12, 14) derart in der ersten Hauptoberfläche des Substrats (10) gebildet sind, daß sie zusammen mit der zweiten Hauptoberfläche des Substrats (10) die Membranen defi­ nieren, wobei die Abdeckvorrichtung in den Bereichen, die den Membranen gegenüberliegen, Ausnehmungen auf­ weist, in denen die Gegenelektroden angeordnet sind.

7. Mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Substrat (10) aus Silizium besteht.

8. Mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Abdeck­ vorrichtung (30) aus Silizium besteht.

9. Mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Abdeck­ vorrichtung (30) aus Pyrexglas besteht.

10. Mikromechanisch gefertigte Flußrestriktionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der im Bereich des Kanals (16) ferner ein Temperatursensor vorgesehen ist.