DE19719862A1 - Mikromembranpumpe - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikromem
branpumpe und insbesondere eine solche Mikromembranpumpe,
die eine Pumpenmembran, einen Pumpenkörper und mit passiven
Rückschlagventilen versehene Einlaß- und Auslaßöffnungen
aufweist.
Gemäß dem Stand der Technik existiert eine Vielzahl unter
schiedlicher Mikromembranpumpen, wobei als Antriebskonzepte
überwiegend elektromagnetische, thermische und piezoelek
trische Antriebsprinzipien eingesetzt werden. Elektromagne
tische Antriebskonzepte sind beispielsweise bei E. Quandt,
K. Seemann, Magnetostrictive Thin Film Microflow Devices,
Micro System Technologies 96, S. 451-456, VDE-Verlag GmbH,
1996, beschrieben. Thermische Antriebskonzepte sind bei
spielsweise bei B. Büstgens u. a., Micromembrane Pump Manu
factured by Molding, Proc. Actuator 94; Bremen 1994, S.
86-90, dargelegt. In der EP-A-0134614 und bei H.T.G. Van
Lintel u. a., A Piezoelectric Micropump Based on Micromaching
of Silicon, Sensors & Actuators, 15, 1988, S. 153-167, sind
piezoelektrische Antriebsprinzipien erläutert.
Piezoelektrische Antriebe basieren auf dem Einsatz von Pie
zokeramiken, die eine Bewegung der Pumpmembran hervorrufen
und damit in Kombination mit einer Ventil- bzw. Anschluß-Einheit
eine Pumpwirkung verursachen. Es existieren mehrere
Varianten von piezoelektrisch angetriebenen Mikromembranpum
pen, die mit aktiven Ventilen, mit passiven Rückschlagventi
len oder auch mit ventillosen fluidischen Anschlüssen arbei
ten. Derartige ventillose fluidische Anschlüsse sind bei
spielsweise bei A. Olsson u. a.: The First Valve-less Diffu
ser Gas Pump, Proceedings MEMS 97, S. 108-113, Nagoya, Ja
pan, 1997, offenbart.
In der EP-A-0134614 ist eine peristaltische Pumpe beschrie
ben, die drei Piezomembranen nutzt, wobei eine Piezomembran
am Einlaß, eine andere am Auslaß und eine weitere zwischen
diesen beiden plaziert ist. Durch die periodische Bewegung
der Piezomembran am Einlaß und die zu derselben phasenver
schobene Bewegung der Piezomembranen am Auslaß und in der
Mitte wird letztendlich eine Pumpbewegung eines zu pumpenden
Mediums erreicht.
Es sind ferner an einer Seite fest eingespannte piezoelek
trische Biegewandler bekannt, wobei an einem freien Ende der
Biegewandler die Pumpmembran befestigt ist. Derartige An
triebseinheiten sind mit einer Ventileinheit, die aus passi
ven Rückschlagventilen besteht, kombiniert.
Bei den genannten ventillosen Piezomembranpumpen wird wie
bei den oben genannten peristaltischen Pumpen eine Piezomem
bran als Antriebseinheit genutzt, wobei eine fluidische An
schlußeinheit verwendet wird, die aus konisch zulaufenden
Kanälen mit unterschiedlichen Strömungswiderständen besteht.
Durch diese pyramidenförmigen Diffusoren wird ein richtungs
abhängiger Strömungswiderstand definiert, der eine Pumpwir
kung in eine Richtung verursacht. Auch eine derartige Mikro
pumpe mit ventilloser Anschlußeinheit kann wie die anderen
Mikropumpen im Betrieb einen Gegendruck aufbauen, der aller
dings beim Abschalten der Antriebseinheit nicht mehr auf
recht erhalten werden kann.
Eine bekannte Mikropumpe mit einem elektrostatischen Antrieb
ist bei R. Zengerle: Mikromembranpumpen als Komponenten für
Mikro-Fluidsysteme; Verlag Shaker; Aachen 1994; ISBN
3-8265-0216-7, beschrieben. Eine derartige Mikropumpe ist in
Fig. 1 dargestellt.
Die in Fig. 1 gezeigte Mikropumpe besteht aus vier Silizium
chips, wobei zwei der Chips den elektrostatischen Aktor, der
aus einer flexiblen Pumpmembran 10 und einer Gegenelektrode
12, die mit einer Isolationsschicht 14 versehen ist, be
steht, gebildet ist. Die beiden anderen Siliziumchips 16 und
18 definieren einen Pumpenkörper, in dem Klappenventile 20
und 22 angeordnet sind. Zwischen dem Pumpenkörper, der durch
die Siliziumchips 16 und 18 gebildet ist, und der flexiblen
Pumpmembran 10, die umfangsmäßig mit dem Pumpenkörper ver
bunden ist, ist eine Pumpkammer 24 gebildet. Zwischen den
Aufhängungsvorrichtungen 26 der flexiblen Pumpmembran 10 und
der Gegenelektrode ist eine Abstandsschicht 28 angeordnet.
Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den elektrostati
schen Aktor findet eine elektrostatische Anziehung der ela
stischen Pumpmembran 10 an die starre Gegenelektrode 12
statt, wodurch ein Unterdruck in der Pumpkammer 24 erzeugt
wird, der zum Einströmen des Pumpmediums über das Einlaß-
klappenventil 22 führt, siehe Pfeil 30. Nach dem Abschalten
der Spannung und einem Ladungsausgleich durch Kurzschluß der
Elektroden relaxiert die Pumpenmembran und verdrängt das
Pumpmedium über das Auslaßklappenventil 20 aus der Pumpkam
mer.
Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen elektrostatischen An
trieb wird bei einer piezoelektrisch betriebenen Mikropumpe
die Pumpmembran durch piezoelektrische Kräfte bewegt, wobei
ein piezoelektrischer Kristall mit der Pumpmembran verbunden
ist. Das Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezo
kristall bewirkt eine Kontraktion bzw. Elongation des Kri
stalls und damit eine Verbiegung der Membran, die zusammen
mit einer Ventileinheit, wie sie beispielsweise in Fig. 1
gezeigt ist, schließlich eine Pumpwirkung hervorruft. Mit
Ausnahme der unterschiedlichen Antriebseinrichtung könnte
eine piezoelektrisch beschriebene Mikropumpe ebenfalls den
in Fig. 1 beschriebenen Aufbau aufweisen.
Die vorstehend beschriebenen elektrostatisch angetriebenen
Mikromembranpumpen weisen in der Form, die beispielsweise in
Fig. 1 dargestellt ist, eine Mehrzahl von Nachteilen auf.
Bedingt durch den geringen Hub des elektrostatischen Aktors,
typischerweise 5 µm, und das vergleichsweise große Pumpkam
mervolumen, wobei die Höhe der Pumpkammer typischerweise 450
µm beträgt, weist eine solche Pumpe ein sehr geringes Kom
pressionsverhältnis auf. Als Kompressionsverhältnis wird das
Verhältnis des verdrängten Pumpvolumens zu dem gesamten
Pumpkammervolumen bezeichnet. Durch dieses geringe Kompres
sionsverhältnis ist eine Förderung kompressibler Medien, wie
z. B. von Gasen, nicht möglich, da die Kompressibilität sol
cher Medien in der Regel über dem Kompressionsverhältnis der
Pumpe liegt.
Ferner weist die Pumpkammer der beschriebenen bekannten Pum
pen eine ungünstige strömungstechnische, sowie nicht blasen
tolerante Geometrie auf. Lufteinschlüsse in einem flüssigen
Pumpmedium sammeln sich in der Pumpkammer und verschlechtern
durch ihre vergleichsweise hohe Kompressibilität die Pump
eigenschaften erheblich. Ferner ist aufgrund des schlechten
Kompressionsverhaltens ein selbstansaugendes Verhalten nicht
zu erzielen. Bei den bekannten Mikropumpen steht durch den
verwendeten Herstellungsprozeß die Pumpmembran ferner in
elektrischem Kontakt mit dem geförderten Medium. Da im Be
trieb Spannungen in der Größenordnung von 200 V am Aktor
auftreten, können im Störfall erhebliche elektrische Poten
tiale am Pumpmedium anliegen, die je nach Anwendung zu Stö
rungen externer Komponenten führen können. Ferner werden be
kannte Mikropumpen beim derzeitigen Stand der Technik durch
Kleben einzelner Chips montiert, wobei diese Montage nicht
den Anforderungen an eine rationelle Fertigung genügt.
Einen großen Teil der oben genannten Nachteile weisen auch
bestehende piezoelektrische Mikromembranpumpen auf. Grund
sätzlich besteht ein wesentlicher Vorteil der piezoelektri
schen gegenüber der elektrostatischen Mikropumpe in der Mög
lichkeit, den Aktor auch mit geringeren Spannungen als 200 V
anzusteuern. Die Pumprate kann dadurch sowohl über die Fre
quenz als auch über die Ansteuerspannung eingestellt werden,
was hinsichtlich der Ansteuerelektronik zu erheblichen Ver
einfachungen führen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Mikromembranpumpe zu schaffen, die die oben genannten Nach
teile des Stands der Technik beseitigt, die Förderung kom
pressibler Medien ermöglicht, ein selbstansaugendes Verhal
ten zeigt und blasentolerant ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikromembranpumpe gemäß An
spruch 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht da
rin, ein Verfahren zum Herstellen eines Pumpenkörpers für
eine derartige Mikromembranpumpe zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 ge
löst.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß
ein entscheidendes Verhaltenskriterium einer Mikromembran
pumpe das Kompressionsverhältnis, nämlich das Verhältnis
zwischen dem verdrängten Pumpvolumen und dem gesamten Pump
kammervolumen ist.
Eine Mikromembranpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung
weist eine Pumpmembran, die mittels einer Antriebseinrich
tung in eine erste und eine zweite Stellung bewegbar ist,
einen Pumpenkörper, der mit der Pumpmembran verbunden ist,
um eine Pumpkammer zwischen denselben festzulegen, sowie ei
ne mit einem passiven Einlaßventil versehene Einlaßöffnung
und eine mit einem passiven Auslaßventil versehene Auslaß-
öffnung auf. Die Pumpmembran vergrößert bei der Bewegung aus
der ersten in die zweite Stellung das Volumen der Pumpkammer
um ein Hubvolumen und verringert bei der Bewegung aus der
zweiten in die erste Stellung das Volumen der Pumpkammer um
dieses Hubvolumen. Gemäß der vorliegenden Erfindung genügt
das Verhältnis E des Hubvolumens zu dem Volumen der Pumpkam
mer, wenn die Pumpmembran in der ersten Stellung ist, fol
gender Gleichung:
wobei p0 der Atmosphärendruck ist, γ der Adiabatenkoeffi
zient ist, und Δpcrit der maximale von der Ventilgeometrie
und der Ventilbenetzung abhängige Druckwert, der nötig ist,
um die Ventile zu öffnen.
Ein derartiges Kompressionsverhältnis kann bei einem Ausfüh
rungsbeispiel erreicht werden, indem als Antriebseinrichtung
eine elektrostatische Antriebseinrichtung verwendet wird,
deren elektrostatischer Aktor durch die Pumpmembran und eine
Gegenelektrode gebildet ist, wobei die Pumpmembran eine im
wesentlichen planare Form aufweist, derart, daß sie in der
ersten Endstellung außerhalb der Einlaßöffnung und der Aus
laßöffnung an dem Pumpenkörper anliegt.
Ferner kann ein derartiges Kompressionsverhältnis vorteil
haft durch einen Pumpenkörper erreicht werden, der durch
zwei an Hauptoberflächen derselben verbundene Halbleiter
platten gebildet ist, wobei das Einlaß- und das Auslaß-Ven
til jeweils durch in die Halbleiterscheiben geätzte Ventil
sitze und Ventilklappen gebildet sind, die in Ventilwannen,
die die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung definieren, an
geordnet sind. Dabei ist die der Pumpmembran zugewandte
Halbleiterplatte bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ge
dünnt, um eine flache Ventilwanne zwischen der der Pumpmem
bran zugewandten Oberfläche der Halbleiterplatte und den
Ventilklappen zu definieren.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstel
len eines derartigen Pumpenkörpers, das zunächst das Struk
turieren jeweils einer ersten Hauptoberfläche einer ersten
und einer zweiten Halbleiterscheibe zur Festlegung einer
Ventilklappenstruktur des Einlaßventils und einer Ventil
sitzstruktur des Auslaßventils in der ersten Scheibe und ei
ner Ventilklappenstruktur des Auslaßventils und einer Ven
tilsitzstruktur des Einlaßventils in der zweiten Scheibe um
faßt. Nachfolgend werden jeweils eine Ventilklappenwannen
struktur und eine Ventilöffnungswannenstruktur in einer vor
bestimmten Beziehung zu den Ventilklappenstrukturen und den
Ventilsitzstrukturen in jeweils einer zweiten Hauptoberflä
che der ersten und der zweiten Halbleiterscheibe gebildet.
Die ersten Hauptoberflächen der ersten und der zweiten Halb
leiterscheibe werden im Anschluß derart verbunden, daß je
weils eine Ventilklappenstruktur zu einer Ventilsitzstruktur
eine vorbestimmte Beziehung aufweist. Im Anschluß wird zu
mindest eine der Halbleiterscheiben von der zweiten Haupt
oberfläche her gedünnt, woraufhin jeweils die zweite Haupt
oberfläche der ersten und der zweiten Halbleiterscheibe zu
mindest im Bereich der Ventilklappenwannenstruktur und der
Ventilöffnungswannenstruktur geätzt wird, um die Ventilklap
pen freizulegen und den Ventilsitz zu öffnen. Die beiden
letztgenannten Schritte des Dünnens und Ätzens können dabei
in einem Arbeitsgang erfolgen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Mikromembranpumpe,
die ein selbstansaugendes Verhalten zeigt, zur Förderung
kompressibler Medien geeignet ist und ferner eine Toleranz
gegenüber Blasen aufweist. Die vorliegende Erfindung schafft
somit eine Mikropumpe, die mit ihrer einfachen Handhabung
vielfältige neue Einsatzmöglichkeiten bietet. Ferner ist das
Pumpenkonzept gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund des
stapelförmigen Aufbaus generell tauglich für eine Endmontage
auf Waferebene und ist somit im Vergleich zu zahlreichen an
deren Konzepten fertigungstechnisch sehr günstig.
Weiterbildungen der vorliegenden Anmeldung sind in den ab
hängigen Ansprüchen dargelegt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich
nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Mikromembranpumpe mit einem elektro
statischen Antrieb;
Fig. 2a) und b) zwei Ausführungsbeispiele einer Mikromem
branpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a) und b) zwei weitere Ausführungsbeispiele von Mikro
membranpumpen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 einen elektrostatischen Mikropumpenantrieb zur Ver
wendung in einer Mikropumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 5 einen piezoelektrischen Mikropumpenantrieb zur Ver
wendung in einer Mikropumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 6 schematische Querschnittdarstellungen zur Erläute
rung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfin
dungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 7 schematische Querschnittdarstellungen zur Erläute
rung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfin
dungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 8 schematische Querschnittdarstellungen zur Erläute
rung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfin
dungsgemäßen Verfahrens.
Im folgenden werden zunächst Entwurfskriterien für eine bla
sentolerante Mikropumpe erläutert, die die Grundlage der
vorliegenden Erfindung darstellen.
Eine entscheidende Rolle für die Blasentoleranz und die Mög
lichkeit einer Selbstbefüllbarkeit spielt das Kompressions
verhältnis ε:= ΔV : V0. Dabei stellt das Volumen ΔV das
Volumen dar, welches durch die Mikromembran in einem Zyklus
verdrängt wird, das sogenannte Hubvolumen. Das Volumen V0,
das auch als Totvolumen bezeichnet wird, stellt das Pumpkam
mervolumen bei entspannter Membran dar. Durch den kleinen
Hub von Mikroaktoren sowie ein durch technologische Randbe
dingungen vorgegebenes Totvolumen ist das Kompressionsver
hältnis bei Mikropumpen allgemein klein.
Über die Zustandsgleichung des geförderten Mediums können
bei einem bekannten Kompressionsverhältnis die Druckspitzen
berechnet werden. Wird ein kritischer Druck von Δpcrit zum
Öffnen eines Ventils angenommen, ergibt sich daraus ein Kri
terium für das minimal notwendige Kompressionsverhältnis. Im
Falle einer mit Wasser befüllten Pumpkammer kann dieses Kom
pressionsverhältnis sehr klein sein, da Wasser nahezu inkom
pressibel ist. Befindet sich jedoch eine Luftblase in der
Pumpkammer, so muß für diese Blase die Zustandsgleichung von
Gasen verwendet werden. Luft ist sehr viel kompressibler als
Wasser, weshalb das notwendige Kompressionsverhältnis stark
ansteigt. Im schlimmsten Fall (worst case) füllt die Luft
blase die gesamte Pumpkammer aus, wobei das Kriterium für
das notwendige Kompressionsverhältnis einer blasentoleranten
Pumpe dann wie folgt lautet:
Dabei ist p0 der Atmosphärendruck und γ der Adiabatenkoeffi
zient.
Zur Ermittlung dieses notwendigen Kompressionsverhältnisses
wurde der kritische Druck Δpcrit bei dem passiven Mikroven
til der Mikropumpe gemessen. Bei diesen Messungen trat die
große Bedeutung der Oberflächenspannungen und der Adhäsions
kräfte in der Mikrofluidik zutage. Bei vollständig befüllten
oder bei trockenen Ventilen wurde ein kritischer Druck von
nur etwa Δpcrit = 10 hPa gemessen. Dagegen wurde bei Venti
len, deren Auflagestruktur schon mit Wasser benetzt war, der
siebenfache kritische Druck von Δpcrit = 70 hPa gemessen.
Maßgebend für dieses höhere Kriterium bei der mit Wasser be
netzten Auflagestruktur ist der höhere Druck, da nicht aus
geschlossen werden kann, daß sich die Luftblase am Ventil
befindet. Das Kompressionsverhältnis muß bei den vorliegen
den passiven Mikroventilen mit Δpcrit = 70 hPa unter der An
nahme isothermer Zustandsänderungen, d. h. γ = 1, der Bedin
gung Ω ≧ 0,075 genügen. Mit anderen Worten heißt das, daß
das Totvolumen höchstens um den Faktor 13,333 größer sein
darf als das Hubvolumen.
Bei einem herkömmlichen Design elektrostatisch betriebener
Mikromembranpumpen beträgt das Hubvolumen etwa 50 nl =
0,05 µl, während das Totvolumen 28 µl beträgt. Das Kompres
sionsverhältnis beträgt demnach ε = 0,0018 oder 1 : 550 und
ist somit viel zu gering.
Zur Erhöhung des Kompressionsverhältnisses kommen vordring
lich zwei Maßnahmen in Betracht. Zum einen eine Vergrößerung
des Hubvolumens ΔV und zum anderen eine Verringerung des
Totvolumens V0.
Für den Fall einer elektrostatisch betriebenen Mikromembran
pumpe ist das Hubvolumen durch ihren Aufbau festgelegt und
kann nicht ohne weiteres vergrößert werden. Somit kann eine
Erhöhung des Kompressionsverhältnisses bei festgelegten la
teralen Abmessungen nur durch eine Minimierung des Totvolu
mens erreicht werden.
Dagegen kann bei einem piezoelektrischen Antrieb durch die
geeignete Wahl der Antriebsparameter, d. h. des Verhältnisses
von Dicke der Keramik zur Dicke der Membran und der latera
len Abmessungen der Keramik, das Hubvolumen im Vergleich zum
elektrostatischen Antrieb auf mehr als das Doppelte, d. h.
typischerweise 100 nl, bei gleichen lateralen Abmessungen
von 7mm×7mm erhöht werden. Dadurch verbessert sich das
Kompressionsverhältnis um den Faktor 2.
Die vorliegende Erfindung zielt nun bei bevorzugten Ausfüh
rungsbeispielen auf eine Reduzierung des Totvolumens, das
von der Antriebseinheit und von der Ventileinheit gebildet
wird, ab. Entsprechende Maßnahmen, die eine solche Reduzie
rung des Totvolumens ermöglichen, werden im folgenden be
schrieben.
In den Fig. 2a), 2b), 3a) sowie 3b) sind Ausführungsbeispie
le einer erfindungsgemäßen Mikromembranpumpe dargestellt.
Fig. 2a) zeigt eine erfindungsgemäße Mikromembranpumpe auf
der Basis eines piezoelektrischen Aktors 100. Der verwendete
piezoelektrische Aktor wird nachfolgend bezugnehmend auf
Fig. 5 näher erläutert. Ein Pumpenkörper ist durch zwei
Halbleiterscheiben, vorzugsweise Siliziumwafer, 102 und 104
gebildet. In den Halbleiterscheiben 102 und 104 sind ein
Einlaßventil 106 und ein Auslaßventil 108 mittels mikro
mechanischer Verfahren gebildet. Vorteilhafte Verfahren zum
Bilden einer solchen Struktur werden später bezugnehmend auf
die Fig. 6-8 beschrieben. Eine zwischen dem Pumpenkörper
und einer Mikromembran 110 gebildete Pumpkammer 112 weist im
entspannten Zustand der Mikromembran 110 gemäß der vorlie
genden Erfindung ein Volumen auf, das höchstens um den Fak
tor 13,333 größer ist als das Hubvolumen, das durch das An
treiben der Membran 110 mittels des piezoelektrischen An
triebs 100 erzeugt wird. Wie in Fig. 2a) zu sehen ist, ist
dazu das Siliziumsubstrat 102 auf der der Mikromembran zuge
wandten Oberfläche gedünnt, um die Realisierung eines derart
kleinen Pumpkammervolumens zu ermöglichen.
In Fig. 2b) ist ein Ausführungsbeispiel einer Mikromembran
pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Basis eines
elektrostatischen Antriebs dargestellt. Der elektrostatische
Antrieb besteht aus einer Gegenelektrode 120 und einem elek
trostatischem Aktor 122, der als Mikromembran dient. Dieser
elektrostatische Antrieb wird nachfolgend bezugnehmend auf
Fig. 4 näher erläutert.
Ein Pumpenkörper ist wiederum durch zwei Siliziumsubstrate
102 und 104, in denen passive Rückschlagventile 106 und 108
gebildet sind, realisiert. Wie in Fig. 2b) zu sehen ist, ist
der elektrostatische Aktor 122, der gleichzeitig als Mikro
membran dient, im wesentlichen planar, so daß derselbe in
den Bereichen außerhalb der Einlaßöffnung bzw. der Auslaß
öffnung, in denen die Rückschlagventile 106 und 108 gebildet
sind, auf dem Pumpenkörper aufliegt. Dadurch kann bei dem
elektrostatischen Antrieb ein Kompressionsverhältnis, das
die erfindungsgemäße Größe aufweist, erhalten werden.
In den Fig. 3a) und 3b) sind zwei weitere Ausführungsbei
spiele gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, die
sich von den in Fig. 2a) und 2b) dargestellten Ausführungs
beispielen ausschließlich hinsichtlich des zweiten, den Pum
penkörper definierenden Siliziumsubstrats unterscheiden. Bei
den in den Fig. 3a) und 3b) dargestellten Ausführungsbei
spielen ist auch das zweite Siliziumsubstrat 104', das zu
sammen mit dem Siliziumsubstrat 102 den Pumpkörper bildet,
gedünnt, und zwar auf der von der Mikromembran 122 abgewand
ten Seite. Ein derartiger Pumpenkörper, wie er in den Fig. 3a)
und 3b) dargestellt ist, ergibt sich durch ein Herstel
lungsverfahren, wie es nachfolgend bezugnehmend auf Fig. 7
erläutert wird.
Fig. 4 zeigt einen planaren elektrostatischen Mikropumpenan
trieb, wie er bei der vorliegenden Erfindung verwendet wer
den kann. Der elektrostatische Antrieb unterscheidet sich
von dem in Fig. 1 dargestellten Antrieb im wesentlichen
durch einen planaren Aktor, der aus einer starren Gegenelek
trode 120 und einer ganzflächig dünnen Membran 122 besteht.
Somit ist der Anteil des Pumpkammervolumens, der von der An
triebseinheit gebildet wird, auf ein Nullvolumen reduziert,
wie in Fig. 2b) zu sehen ist, wodurch sich ein wesentlicher
Beitrag zur Kompressionserhöhung ergibt.
Der beschriebene planare elektrostatische Aktor kann bei
spielsweise mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren
hergestellt werden. Zunächst werden Ausgangswafer für die
Gegenelektrode 120 und die Pumpmembran 122 hergestellt. Dies
beinhaltet insbesondere die Schaffung einer Möglichkeit zur
elektrischen Kontaktierung, beispielsweise das Aufbringen
von Bondpads, sowie bei elektrisch nicht leitenden Ausgangs
materialien die Herstellung einer geeignet strukturierten
leitfähigen Beschichtung zur Realisierung der Elektrodenflä
chen, wiederum mit der Möglichkeit der elektrischen Kontak
tierung. Nachfolgend wird eine Abstandsschicht 140 an der
späteren Montagefläche von Pumpmembran 122 und Gegenelektro
de 120 gebildet. Ferner werden Isolationsschichten 142 an
allen Berührungsstellen der beiden Wafer gebildet, um einen
elektrischen Kurzschluß zwischen den Elektroden zu verhin
dern. An der Abstandsschicht 140 erfolgt eine strukturierte
Verbindung der beiden Ausgangswafer. Im Anschluß wird der
Ausgangswafer für die Pumpmembran 122 ganz flächig abgetra
gen, bis die gewünschte Enddicke der Pumpmembran erreicht
ist.
Als Abtragungsverfahren zur Herstellung der flexiblen elek
trostatisch angetriebenen Pumpmembran 122 können je nach ge
wähltem Material ein mechanischer Abtrag, beispielsweise
durch Schleifen, oder ein Ätzen verwendet werden. Zur Unter
stützung von Ätzprozessen kann die Pumpmembran 122 an ihrer
Oberseite als Mehrschichtstruktur ausgeführt sein, die als
unterste Lage eine Ätzstopschicht an der späteren Membranun
terseite aufweist. Die Herstellung der Pumpmembran erfordert
keinen Strukturierungsprozeß, so daß durch einen solchen im
wesentlichen planaren elektrostatischen Mikropumpenantrieb
neben der Optimierung des Kompressionsverhältnisses eine Mi
nimierung der Herstellungskosten erreicht werden kann.
Eine weitergehende Strukturierung der Unterseite der Pump
membran, beispielsweise die Herstellung von zusätzlichen
Hilfsstrukturen wie Abstandhaltern oder Strömungskanälen,
oder das nachträglich Entfernen oder Aufbringen von Be
schichtungen kann im Anschluß an das ganzflächige Abtragen
erfolgen. Zu dieser weitergehenden Strukturierung gehört
beispielsweise das Aufbringen von zusätzlichen Schichten zur
Erhöhung der chemischen Beständigkeit, zur elektrischen Iso
lation oder zur gezielten Einstellung mechanischer Eigen
schaften, beispielsweise einer lokal unterschiedlichen Mem
brandicke zur Erzielung einer lokal inhomogenen Elastizität.
Als Ausgangsmaterialien für die Gegenelektrode 120 und für
die Pumpmembran 122 können insbesondere Silizium, Glas oder
Kunststoffe verwendet werden. Die Abstandsschicht 140 kann
in beliebiger Kombination durch eine Strukturierung oder
durch ein additives Aufbringen an einem oder an beiden Aus
gangswafern erzeugt werden. Als Verfahren zum Verbinden der
Gegenelektrode 120 mit der Pumpmembran können je nach ver
wendeten Ausgangsmaterialien beispielsweise Kleben bei be
liebigen Materialien, anodisches Bonden bei Silizium-Glas- oder
Silizium-Silizium-Verbindungen mit Glas-Abstands
schicht, oder ein Silicon-Fusion-Bonden bei einer Silizium-Si
lizium-Verbindung eingesetzt werden. Um ein Verbindungs
verfahren zu ermöglichen, bei dem eine Temperaturerhöhung
notwendig ist, beispielsweise bei einem anodischen Bonden,
werden bei dem elektrostatischen Aktor in der Gegenelektrode
120 Öffnungen 144 angebracht, die bei temperaturbedingter
Ausdehnung und Kompression des Gasvolumens zwischen Pumpmem
bran 122 und Gegenelektrode 120 einen Druckausgleich zur Um
gebung ermöglichen. In gleicher Weise können diese Öffnungen
in der Abstandsschicht 140 angeordnet sein.
Ein piezoelektrischer Aktor zur Verwendung bei einer Mikro
membranpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5
dargestellt. Eine Pumpmembran 110 weist Befestigungsstruk
turen 150 zur Anbringung der Membran 110 an einem Pumpenkör
per auf. Die Befestigungsstrukturen und die Membran sind auf
der von dem Pumpenkörper abgewandten Seite mit einer elek
trisch leitenden Schicht 152 überzogen. Mittels einer Ver
bindungsschicht 154 ist ein piezoaktives Material 156 an der
Membran 110 angebracht. Das piezoaktive Material 156 ist
ebenfalls mit einer leitfähigen Schicht 158 überzogen. Zur
Isolation der Pumpkammer kann unterhalb der leitfähigen
Schicht 152 eine Isolationsschicht vorgesehen sein.
Im folgenden werden kurz Verfahren zur Herstellung des pie
zoelektrischen Aktors beschrieben. Zunächst wird die dünne
Pumpmembran 110 gebildet, wobei innerhalb der Pumpkammer
Strukturen vorgesehen werden müssen, die später eine optima
le Strömung zwischen Einlaßventil und Auslaßventil gewähr
leisten. Die Unterseite der Pumpmembran kann ferner weiter
gehend strukturiert werden, beispielsweise durch die Her
stellung zusätzlicher Hilfstrukturen in der Form von Ab
standhaltern und Strömungskanälen. Ferner können nachträg
lich Beschichtungen aufgebracht oder entfernt werden.
Wiederum gehört dazu das Aufbringen von zusätzlichen
Schichten zur Erhöhung der chemischen Beständigkeit, zur
elektrischen Isolation oder zur gezielten Einstellung
mechanischer Eigenschaften, beispielsweise einer lokal un
terschiedlichen Membrandicke zur Erzielung einer lokal in
homogenen Elastizität.
Im Anschluß wird die Pumpmembran 110 mit einem piezoelektri
schen Material 156 verbunden. Das piezoelektrische Material
kann in der Form eines Kristalls vorliegen oder alternativ
in der Form einer dünnen Schicht 156 direkt auf die Pump
membran 110 aufgebracht werden. Beide Seiten des Piezomate
rials müssen dabei elektrisch kontaktierbar sein, wobei eine
nichtleitende Schicht 154 als Verbindung zwischen Piezoun
terseite und elektrisch leitender Pumpmembran 110, z. B. eine
Klebeschicht, zugelassen werden kann, da für die Umsetzung
des Piezoeffekts ein elektrisches Feld entscheidend ist.
Werden zur Herstellung des piezoelektrischen Antriebs eben
falls Verbindungsverfahren, die eine Temperaturerhöhung not
wendig machen, eingesetzt, muß das Piezomaterial 156 nach
diesen Verfahren unter Umständen wieder nachpolarisiert wer
den. Dabei muß eine hohe elektrische Spannung an den Kri
stall angelegt werden, wobei das Material eine Temperatur
haben sollte, die ungefähr der Curietemperatur des Aktorma
terials entspricht, typischerweise 180°C-350°C.
Zum Bilden der erfindungsgemäßen Mikromembranpumpe werden
die bezugnehmend auf die Fig. 4 und 5 beschriebenen Aktor
vorrichtungen auf einem Pumpenkörper angebracht, wodurch ei
ne Mikromembranpumpe, die vorher bezugnehmend auf die Fig. 2
und 3 beschrieben wurde, erzeugt wird.
Im folgenden werden nun Verfahren zur Herstellung eines Pum
penkörpers, der für die erfindungsgemäße Mikromembranpumpe
geeignet ist, beschrieben.
Vorzugsweise wird als Ausgangsmaterial der Ventileinheit
Silizium verwendet, das die Eigenschaften der Ventilklappen
bezüglich des Öffnungsdrucks sowie des Resonanzverhaltens
ganz wesentlich beeinflußt. Die erfindungsgemäße Herstellung
des Pumpenkörpers zusammen mit der Ventileinheit zielt wie
die oben beschriebene planare Antriebseinheit ebenfalls auf
ein möglichst geringes Pumpkammervolumen ab. Dies gilt ins
besondere für den innenliegenden Ventilchip, der zum Pump
kammervolumen beiträgt.
Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Pumpkammervolumens be
steht in einem Dünnen dieses Ventilchips. Jedoch ist gerade
das Dünnen derartiger Ventilchips mit ganz erheblichen Pro
blemen verbunden. Zum einen führt ein mechanisches Dünnen,
beispielsweise ein Schleifen oder Polieren, aufgrund der da
bei auftretenden starken Vibrationen u. U. zur Beschädigung
der Klappe, d. h. die Ventilklappe kann an ihrem Einspann
punkt abbrechen. Ferner scheidet ein chemischer Prozeß zum
Abdünnen des Ventilchips ebenfalls aus, da die bestehenden
Ventilklappen gegenüber dem chemischen Abtrag geschützt wer
den müssen, was prozeßtechnisch nur mit sehr hohem Aufwand
möglich ist.
Erfindungsgemäß trägt ein zweistufiger Prozeß zur Lösung der
oben genannten Problematik bei. Im folgenden werden nun un
terschiedliche Ausführungsbeispiele von Verfahren beschrie
ben, die das Dünnen der der Antriebseinheit einer Mikropumpe
zugeordnete Oberfläche eines Ventilchips ohne Beschädigung
der Ventilklappen bzw. ohne hohen prozeßtechnischen Aufwand
ermöglichen.
Ein erstes Verfahren wird nun bezugnehmend auf Fig. 6 be
schrieben. Der Ventilkörper mit der integrierten Ventil
struktur wird dabei aus zwei Halbleiterplatten, vorzugsweise
Siliziumplatten, gebildet, die zunächst in den Schritten a)-c)
einer gleichartigen Behandlung unterworfen werden.
Zunächst werden die Ventilchips 200 auf ihrer Vorderseite,
d. h. auf einer Hauptoberfläche desselben, beispielsweise
durch ein Ätzverfahren vorstrukturiert, um eine Ventilklap
penstruktur 202 und eine Ventilsitzstruktur 204 festzulegen.
Diese Vorstrukturierung ist in einem Schritt a) in Fig. 6
dargestellt. In einem nächsten Schritt werden beispielsweise
durch naßchemische Ätzverfahren bei dem dargestellten Aus
führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens Ventil
klappenwannen 206 und Ventilöffnungswannen 208 von der Rück
seite der Chips her in einer vorbestimmten Beziehung zu den
Ventilklappenstrukturen 202 und den Ventilsitzstrukturen 204
gebildet, siehe Schritt b). Nachfolgend werden die Ventil
chips 200 bei diesem Ausführungsbeispiel auf der Oberseite
mit einer Oxidschicht 210 überzogen, Schritt c).
Im Anschluß werden die beiden Chips beispielsweise durch
anodische Bondverfahren oder durch ein Silicon-Fusion-Bonden
an den mit der Oxidschicht überzogenen Oberflächen derselben
verbunden, siehe Schritt d). Die beiden Chips sind dabei
derart angeordnet, daß die Ventilsitzstrukturen des einen
Chips mit den Ventilklappenstrukturen des anderen Chips
ausgerichtet sind und umgekehrt. Dies führt zu einer Verbin
dung der Ventilklappen mit dem Ventilsitz und somit zu einer
mechanischen Stabilisierung, der beim nachfolgenden Dün
nungsprozeß von Bedeutung ist.
Das nach dem Schritt d) erhaltene Waferpaar 212 wird an
schließend einseitig gedünnt, siehe oberen Wafer in Schritt e),
wodurch die Ventilwannen 206, 208 des gedünnten Wafers
möglichst flach herausgebildet werden sollen. Nachfolgend
wird ein abschließender naßchemischer Ätzprozeß durchge
führt, der zum Freilegen der Klappenstrukturen bzw. zum
öffnen der Ventilsitze führt, siehe Schritt f). Somit ist
das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des erfin
dungsgemäßen Pumpenkörpers mit integrierter Ventilstruktur
abgeschlossen.
Bezugnehmend auf Fig. 7 wird nachfolgend ein alternatives
Verfahren beschrieben. Zunächst werden wie im Schritt a) in
Fig. 6 in einer Hauptoberfläche der Ventilchips 200 Ventil
sitzstrukturen 204 und Ventilklappenstrukturen 202 defi
niert. Nachfolgend werden in einem Schritt g) auf der Rück
seite der Chips Ventilklappenwannen 216 und Ventilöffnungs
wannen 218 erzeugt. Die Wannen weisen bei diesem Ausfüh
rungsbeispiel eine Wannentiefe auf, die der Wannentiefe des
fertiggestellten Pumpenchips entspricht. Nach dieser Struk
turierung werden die Ventilwafer wiederum verbunden, so daß
eine Ventileinheit 222 gebildet wird, siehe Schritt h). Der
wesentliche Unterschied zu dem bezugnehmend auf Fig. 6 be
schriebenen Verfahren besteht in dem letzten Schritt, wobei
das Abdünnen der Wafer bei dem in Fig. 7 dargestellten Ver
fahren nicht einseitig mechanisch erfolgt, sondern in einem
Schritt i) beidseitig durch chemische Verfahren. Der chemi
sche Ätzprozeß wird solange angewendet, bis die Klappen bzw.
Ventilöffnungen freigelegt sind. Das Ergebnis ist ein Wafer
paar, das aus zwei Wafern der gleichen Dicke besteht.
Ein weiteres alternatives Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachfolgend bezugnehmend auf Fig. 8 erläu
tert. Die in Fig. 8 dargestellten Schritte a) und g) ent
sprechen den in der Fig. 7 dargestellten Schritten a) und
g). Anschließend werden die Ventilchips wiederum zu einer
Ventileinheit verbunden, wie in einem Schritt j) dargestellt
ist, wobei der Einlaß und der Auslaß in diesem Stadium noch
geschlossen sind. Jedoch wird nun auf die Oberfläche des un
teren Chips mit Ausnahme der strukturierten Wannen 216 und 218
eine Ätzmaske 230 aufgebracht. Somit wird in einem fol
genden naßchemischen Ätzverfahren nur der obere Chip ge
dünnt, während nicht der gesamte untere Chip mitgedünnt
wird, da die Maske 230 das Ätzen des gesamten Chips verhin
dert, so daß der untere Chip nur in den vorstrukturierten
Wannen 216 und 218 geätzt wird und nach Fertigstellung der
Struktur die ursprüngliche Dicke aufweist, siehe Schritt k).
Man erhält somit ein Waferpaket, daß nach dem Freilegen der
Klappen eine zur Pumpkammer gerichtete planare Ventileinheit
beinhaltet, wenn die Pumpkammer durch den Pumpkörper und ei
ne auf dem oberen Chip angebrachte Mikromembran gebildet
wird.
Nach der Herstellung der Antriebseinheit sowie der Ventil
einheit, wie oben beschrieben wurde, müssen beide Einheiten
miteinander verbunden werden. Eine kostengünstige und zu
gleich reproduzierbare Verbindungstechnik kann jedoch nur
dann realisiert werden, wenn die Montage auf Wafer-Ebene
stattfindet. Für diese Verbindung bietet sich wieder eine
Vielzahl von Techniken und Verfahren an, beispielsweise Kle
ben, Silicon-Fusion-Bonden, anodisches Bonden und eutekti
sches Bonden. Hochtemperaturverfahren können wiederum mit
einer Depolarisation des Piezomaterials verbunden sein und
somit ein nachträgliches Polarisieren des Piezoaktors erfor
dern.
Nach dem Verbinden der Antriebseinheit mit dem Ventilkörper
erhält man die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Mikromem
branpumpen, wobei die beschriebenen Verfahren zur Herstel
lung des Pumpenkörpers sowie die beschriebenen Antriebsvor
richtungen das hohe Kompressionsverhältnis gemäß der vorlie
genden Erfindung ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung schafft somit zum einen selbstan
saugende und blasentolerante Mikromembranpumpen, die zur
Förderung kompressibler Medien geeignet sind. Ferner schafft
die vorliegende Erfindung Verfahren, die zur Herstellung des
Pumpenkörpers mit integrierter Ventileinheit einer derarti
gen selbstansaugenden Mikromembranpumpe gemäß der vorliegen
den Erfindung verwendet werden können.
Claims (10)
1. Mikromembranpumpe mit folgenden Merkmalen:
einer Pumpmembran (110; 122), die mittels einer An triebseinrichtung (100; 120) in eine erste und eine zweite Stellung bewegbar ist;
einen Pumpenkörper (102; 104; 104'), der mit der Pump membran (110; 122) verbunden ist, um eine Pumpkammer (112) zwischen denselben festzulegen; und
einer mit einem passiven Einlaßventil (106) versehenen Einlaßöffnung und einer mit einem passiven Auslaßventil (108) versehen Auslaßöffnung;
wobei die Pumpmembran (110; 122) bei der Bewegung aus der ersten in die zweite Stellung das Volumen (V0) der Pumpkammer im wesentlichen um ein Hubvolumen (ΔV) ver größert und bei der Bewegung aus der zweiten in die er ste Stellung das Volumen der Pumpkammer (112) im wesent lichen um ein Hubvolumen (ΔV) verringert,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis ε des Hubvolumens (ΔV) zu dem Volumen (V0) der Pumpkammer (112), wenn die Pumpmembran (110; 122) in der ersten Stellung ist, folgender Gleichung ge nügt:
wobei p0 der Atmosphärendruck ist, γ der Adiabatenkoef fizient ist, und Δpcrit der maximale von der Ventilgeo metrie und der Ventilbenetzung abhängige Druckwert, der nötig ist, um die Ventile zu öffnen, ist.
einer Pumpmembran (110; 122), die mittels einer An triebseinrichtung (100; 120) in eine erste und eine zweite Stellung bewegbar ist;
einen Pumpenkörper (102; 104; 104'), der mit der Pump membran (110; 122) verbunden ist, um eine Pumpkammer (112) zwischen denselben festzulegen; und
einer mit einem passiven Einlaßventil (106) versehenen Einlaßöffnung und einer mit einem passiven Auslaßventil (108) versehen Auslaßöffnung;
wobei die Pumpmembran (110; 122) bei der Bewegung aus der ersten in die zweite Stellung das Volumen (V0) der Pumpkammer im wesentlichen um ein Hubvolumen (ΔV) ver größert und bei der Bewegung aus der zweiten in die er ste Stellung das Volumen der Pumpkammer (112) im wesent lichen um ein Hubvolumen (ΔV) verringert,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis ε des Hubvolumens (ΔV) zu dem Volumen (V0) der Pumpkammer (112), wenn die Pumpmembran (110; 122) in der ersten Stellung ist, folgender Gleichung ge nügt:
wobei p0 der Atmosphärendruck ist, γ der Adiabatenkoef fizient ist, und Δpcrit der maximale von der Ventilgeo metrie und der Ventilbenetzung abhängige Druckwert, der nötig ist, um die Ventile zu öffnen, ist.
2. Mikromembranpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Verhältnis ε zumindest 0,075 beträgt.
3. Mikromembranpumpe gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (120) eine
elektrostatische Antriebseinrichtung ist, deren elektro
statischer Aktor durch die Pumpmembran (122) und eine
Gegenelektrode (120) gebildet ist, wobei die Pumpmembran
(122) im wesentlichen planar ausgebildet ist, derart,
daß sie in der ersten Endstellung außerhalb der Einlaß
öffnung und der Auslaßöffnung an dem Pumpenkörper (102)
anliegt.
4. Mikromembranpumpe gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine piezo
elektrische Antriebseinrichtung (100) ist.
5. Mikromembranpumpe gemäß einem der Ansprüche 1-4, bei
der der Pumpenkörper durch zwei an Hauptoberflächen der
selben verbundene Halbleiterplatten (102, 104; 104') ge
bildet ist, wobei das Einlaß- und das Auslaß-Ventil
(106, 108) jeweils durch in die Halbleiterscheiben (102,
104; 104') geätzte Ventilsitze und Ventilklappen gebil
det sind, die in Ventilwannen, die die Einlaßöffnung und
die Auslaßöffnung definieren, angeordnet sind.
6. Mikromembranpumpe gemäß Anspruch 5, bei der die der
Pumpmembran (110; 122) zugewandte Halbleiterplatte (102)
gedünnt ist, um eine flache Ventilwanne zwischen der der
Pumpmembran zugewandten Oberfläche der Halbleiterplatte
(102) und dem Einlaß- und Auslaß-Ventil zu definieren.
7. Mikromembranpumpe gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der die
Halbleiterplatten (102, 104; 104') aus Silizium gebildet
sind.
8. Verfahren zum Herstellen des Pumpenkörpers für eine Mi
kromembranpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 - 7, mit
folgenden Schritten:
- 8.1 Strukturieren jeweils einer ersten Hauptoberfläche einer ersten und zweiten Halbleiterscheibe (200) zur Festlegung einer Ventilklappenstruktur (202) des Einlaßventils und einer Ventilsitzstruktur (204) des Auslaßventils in der ersten Scheibe und einer Ven tilklappenstruktur des Auslaßventils und einer Ven tilsitzstruktur des Einlaßventils in der zweiten Scheibe;
- 8.2 Bilden jeweils einer Ventilklappenwannenstruktur (206; 216) und einer Ventilöffnungswannenstruktur (208; 218) in einer vorbestimmten Beziehung zu den Ventilklappenstrukturen (202) und den Ventilsitz strukturen (204) in jeweils einer zweiten Hauptober fläche der ersten und der zweiten Halbleiterscheibe;
- 8.3 Verbinden der ersten Hauptoberflächen der ersten und der zweiten Halbleiterscheibe, derart, daß jeweils eine Ventilklappenstruktur zu einer Ventilsitzstruk tur eine vorbestimmte Beziehung aufweist;
- 8.4 Dünnen zumindest einer der Halbleiterscheiben von der zweiten Hauptoberfläche her; und
- 8.5 Ätzen der jeweils zweiten Hauptoberfläche der ersten und der zweiten Halbleiterscheibe zumindest im Be reich der Ventilklappenwannenstruktur und der Ven tilöffnungswannenstruktur zum Freilegen der Ventil klappen und zum Öffnen der Ventilsitze.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem im Schritt 8.4 beide
Halbleiterscheiben von der zweiten Hauptoberfläche her
gedünnt werden.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, das vor dem Schritt 8.4
ferner den Schritt des Aufbringens einer Oxidschicht
(210) jeweils auf die ersten Hauptoberflächen der ersten
und der zweiten Halbleiterscheibe aufweist.
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