DE3621332A1

DE3621332A1 - Mikroventil

Info

Publication number: DE3621332A1
Application number: DE19863621332
Authority: DE
Inventors: Laszlo Dipl Ing Csepregi; Karl Dipl Ing Kuehl; Helmut Dipl Phys Seidel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1986-06-26
Filing date: 1986-06-26
Publication date: 1988-01-14
Also published as: DE3621332C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikroventil gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Es wird seit längerem versucht, mechanische Funktionsele mente zu miniaturisieren, insbesondere solche, die in Hybridtechnik gemeinsam mit bereits hoch miniaturi sierbaren elektrischen und elektronischen Komponenten verwendet werden.

Auf diesem Gebiet der sogenannten Mikromechanik werden bereits winzige mechanische Funktionselemente, wie Venti le, Beschleunigungsmesser usw. hergestellt. Ausgangs material ist insbesondere monokristallines Silizium, aus dem diese Funktionselemente durch isotropes und anisotro pes Ätzen sowie durch aus der Halbleiter-Fertigung bekannte Techniken hergestellt werden; vgl. etwa den Forschungsbericht T 84-209 des Bundesministeriums für Forschung und Technologie vom September 1984, Seiten 209 ff.

In diesem Forschungsbericht ist auch ein Mikroventil beschrieben, das aus einem Siliziumeinkristall hergestellt ist. Auf dessen ebener (100)- oder (110)-Oberfläche ist eine p⁺-Epitaxieschicht aufgewachsen, der eine n-Distanz schicht und eine strukturbildende p⁺-Oberflächenschicht folgen. Aus dieser Oberflächenschicht ist ein scheibenför miger Ventilkörper mit zwei dünnen Spiralarmen herausge ätzt, die mit dem Rand der Ventilkammer verbunden sind, der durch den Strukturrand des Siliziumsubstrates gebildet wird. Der scheibenförmige Ventilkörper, im folgenden Ventilscheibe genannt, ist somit federnd und senkrecht zur Scheibenebene leicht beweglich. Aus der n-Distanzschicht ist unterhalb der Ventilscheibe und der Spiralarme die Ventilkammer herausgeätzt, die bis zur p⁺-Epitaxieschicht reicht. Am Boden dieser Ventilkammer ist eine durch die p⁺ -Epitaxieschicht reichende Ventilöffnung vorgesehen, die in einen durch den Siliziumeinkristall hindurchgehenden Ätzkanal führt. Die Begrenzungswände dieses Ätzkanales fallen mit den (111)-Kristallebenen zusammen.

Dieses bekannte Mikroventil wird elektrisch angesteuert, indem bei offenem Mikroventil zwischen Ventilscheibe und einer Gegenelektrode an der Ventilöffnung eine elektri sche Spannung angelegt wird, die je nach Wahl der Geometrie des Mikroventiles zwischen 3 und etwa 100 Volt liegt. In dem so erzeugten elektrostatischen Feld bewegt sich die Ventilscheibe in Richtung auf die Ventilöffnung und verschließt diese. Das Mikroventil ist damit geschlos sen. Wird die elektrische Spannung weggenommen, so kehrt die Ventilscheibe aufgrund der Elastizität der federnden Spiralarme in die Ausgangsposition zurück.

Die bei der geschilderten elektrischen Ansteuerung erziel baren Kräfte sind aber relativ gering. Außerdem versagt dieses Prinzip in Gegenwart von leitfähigen Flüssigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroventil der in Rede stehenden Art anzugeben, mit dem höhere Betätigungskräfte für die Ventilscheibe erzielt werden können und das auch für leitfähige Medien funktionstüchtig ist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß werden für die Betätigung der Ventilscheibe Magnetkräfte verwendet. Die Ansteuerung des Mikroventiles erfolgt weiterhin elektrisch.

Soll das offene Mikroventil geschlossen werden, so wird die Elektrospule mit einer Stromquelle verbunden. Die als Magnetanker ausgebildete Ventilscheibe wird sodann in Richtung auf die Elektrospule gezogen und verschließt die Ventilöffnung. Zum Öffnen des Mikroventiles wird die Stromquelle abgeschaltet.

Mit diesem Prinzip können wesentlich höhere Kräfte als bisher erzielt werden. Außerdem ist die Betätigung der Ventilscheibe nahezu unabhängig von der Art des durch das Mikroventil strömenden Mediums, insbesondere davon, ob das Medium elektrisch leitfähig ist oder nicht.

Bevorzugt wird auf die Ventilscheibe eine weichmagnetische Schicht aufgebracht, z. B. eine Nickelschicht, wenn die Ventilscheibe nicht selbst weichmagnetisch ist. Dies kann z. B. durch galvanisches Abscheiden erfolgen.

Die Elektrospule ist bevorzugt auf der der Ventilscheibe abgewandten Rückseite der Ventilkammer angeordnet. Sie ist entweder ein diskretes Bauteil, z. B. eine aus Draht gewickelte Miniaturspule oder eine Flachspule, die direkt auf Substrat des Mikroventiles aufgebracht oder in diesem integriert ist. Die Spule kann durch Metallisierungs- oder Siebdrucktechniken aufgebracht werden. Wird ein Silizium- Substrat verwendet, so kann die Flachspule etwa durch Ionenimplantation, durch Dotierung mit geeignet leitenden Materialien oder durch eine aufgebrachte entsprechend strukturierte Oberflächenmetanisierung realisiert werden. Das angegebene Funktionsprinzip kann funktionell und konstruktiv je nach Anwendung und Bedarf modifiziert werden.

Eine Ausführung eines Mikroventiles mit geringem Energie verbrauch kann dann erzielt werden, wenn zusätzlich zu der Elektrospule ein Miniaturpermanentmagnet vorgesehen wird, z. B. ein Ringmagnet aus einer Kobalt-Samarium- Legierung. Bei entsprechender Dimensionierung des Ringmagneten und der Ventilscheibe kann eine stromsparende bistabile Funktionsweise erzielt werden: Soll das Mikroventil geschlossen werden, so wird durch die Elektrospule ein Stromimpuls geschickt, durch den das Magnetfeld des Permanentmagneten verstärkt wird. Bei geeigneter Dimensio nierung wird die federnd gelagerte Ventilscheibe gegen die Ventilöffnung bewegt und dort in der Endstellung durch den Permanentmagneten gehalten. Die Elektrospule kann jetzt abgeschaltet werden. Durch einen entgegengerichteten Stromstoß durch die Elektrospule wird das Feld des Permanentmagneten so weit abgeschwächt, daß die Ventil scheibe sich von der Ventilöffnung abhebt und aufgrund der Elastizität der federnden Elemente in die Ausgangsstellung zurückkehrt.

Zur weiteren Steigerung der Magnetkräfte kann anstelle einer weichmagnetischen Schicht an der Ventilscheibe auch eine hartmagnetische Schicht, z. B. ein Miniatur-Per manentmagnet vorgesehen sein.

Die Erfindung kann in Verbindung mit Mikroventilen verwendet werden, die aus einem monokristallinen Sili zium-Chip hergestellt werden. Es ist jedoch auch vorteil haft, die Erfindung in Verbindung mit Verbundstrukturen zu verwenden. Als Grundkörper dient hierzu z. B. ein Al₂O₃ -Substrat, aus dem die Ventilkammer und die Ventilöffnung in ähnlicher Weise wie oben zum Siliziumsubstrat geschil dert hergestellt werden. Die Anbringung der Elektrospule erfolgt in ähnlicher Weise.

Die Ventilscheibe mit den Federarmen wird als separates Bauteil hergestellt, und zwar bevorzugt aus einer dünnen, der erforderlichen Struktur entsprechend durch Ätzen geformten Nickelfolie, die auf die Substratoberfläche aufgelötet wird. Auf diese Struktur kann dann eine Deckschicht montiert werden, in der dann Auslaß- und Verteilerkanäle vorgesehen sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Mikroventil gemäß der Erfindung, das auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat mit Hilfe der Mikromechanik aufgebaut wurde;

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Mikroventiles;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausfüh rungsform eines Mikroventils gemäß der Erfin dung.

Sämtliche Darstellungen in den Figuren sind nicht maß stabsgerecht.

Ein in Fig. 1 dargestelltes Mikroventil 1 wird aus einem monokristallinen Siliziumsubstrat 2 mit einer (100)- oder (110)- Oberflächenorientierung aufgebaut. Auf der Obersei te des Substrates 2 ist eine p⁺-Epitaxialschicht 3 aufgewachsen, aus der mittels herkömmlicher Photo- und Ätztechniken eine Ventilscheibe 4 mit Spiralarmen 5 herausgeätzt sind. Unterhalb der Ventilscheibe und der Spiralarme ist eine Ventilkammer ebenfalls durch Ätzen freigelegt, an deren Boden eine Ventilöffnung 7 unterhalb der Ventilscheibe 4 angeordnet ist. Die Ventilöffnung ist die Mündung eines Ventilkanales 8, der das Siliziumsub strat 2 durchstößt und als Ein- oder Auslaßkanal des Mikroventiles 1 dient.

Auf der Oberseite der Ventilscheibe 4 ist eine Schicht 9 aus weichmagnetischem Material aufgebracht, so daß diese gemeinsam mit der Ventilscheibe 4 als Magnetanker einer Elektrospule 10 dient, die auf der Unterseite des Siliziumsubstrates 2 konzentrisch zu dem Ventilkanal 8 angeordnet ist. Diese Spule ist nach einem der oben angegebenen Verfahren hergestellt. Zuleitungen 11 für die Elektrospule an der Unterseite des Substrats 2 sind angedeutet.

Wird die Elektrospule 10 erregt, so wird in dem Magnetfeld der Magnetanker aus Ventilscheibe 4 und Schicht 9 nach unten gezogen, bis die Ventilscheibe 4 auf der Ventilöff nung 7 aufliegt und das Mikroventil 1 verschließt. Dieser Zustand ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Wird die Elektrospule entregt, so kehrt die Ventilscheibe 4 aufgrund der Elastizität der Spiralarme in die Ausgangspo sition zurück, so daß das Mikroventil 1 wieder offen ist.

Zusätzlich zu der Elektrospule 10 ist noch konzentrisch zu dem Ventilkanal 8 ein ringförmiger Permanentmagnet 12 aus einer CoSm-Legierung angeordnet. Die Stärke dieses Perma nentmagneten ist gerade so berechnet, daß die Ventilschei be 4 mit der Schicht 9 in der gestrichelt dargestellten Schließstellung des Mikroventiles 1 auch dann festgehal ten wird, wenn die Elektrospule 10 entregt ist. Zum Umschalten benötigt man daher nur einen relativ kurzen Stromimpuls für die Elektrospule. Soll das Mikroventil geöffnet werden, so wird ein entgegengerichteter Stromim puls durch die Elektrospule geschickt, wodurch das Feld des Permanentmagneten geschwächt wird und die Ventilschei be wieder in die Ausgangsposition zurückkehrt.

Zur Erhöhung der Magnetkräfte kann die Schicht 9 auch aus hartmagnetischem Material sein.

Typische Abmessungen des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Mikroventiles 1 sind für die Ventilscheibe ein Durchmesser von ca. 1 mm, für den Durchmesser der Ventilkammer etwa 2,5 mm und für den Silizium-Chip eine Breite von ca. 5 mm.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch ein Mikroventil 1 a dargestellt, das als Verbundkonstruktion aufgebaut ist. Die Geometrie dieses Mikroventiles 1 a entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Ventil. Ausgangsmaterial für das Mikroventil 1 a ist ein Al₂O₃-Substrat 2 a, in das eine Ventilkammer 6 a sowie ein Ventilkanal 8 a mit einer am Boden der Ventilkammer 6 a mündenden Ventilöffnung 7 a eingeätzt sind. Auf der Unterseite des Substrates 2 a sind wiederum eine Elektrospule 10 a mit Zuleitungen 11 a und gegebenenfalls noch ein ringförmiger Permanentmagnet 12 a in der gleichen Weise wie bei dem vorigen Mikroventil angeordnet.

Die Ventilscheibe 4 a mit den Spiralarmen 5 a ist aus einer Nickelfolie 3 a herausgeätzt, wonach die Nickelfolie 3 a auf das Substrat 2 a aufgelötet ist; eine Lotschicht 13 a ist schematisch angedeutet.

Die Ober- und Unterseite dieses Mikroventiles 1 a sind durch Deckplatten 14 a bzw. 15 a aus Glas, Kunstglas oder dergleichen abgedeckt, wobei in diesen Deckplatten Vertei lerräume und Ein- und Auslaßkanäle 16 a vorgesehen sind.

In der Fig. 3 ist gestrichelt eine Elektrospule 10′ dargestellt, die am Boden der Ventilkammer 6 a angeordnet ist. Diese Elektrospule kann die Elektrospule 10 a erset zen.

Die beschriebenen Mikroventile können leicht modifiziert bei periodischer Ansteuerung auch als Mikropumpen einge setzt werden; ebenso ist das beschriebene Betäti gungsprinzip für andere mechanische Funktionselemente anwendbar.

Claims

1. Mikroventil mit einer Ventilkammer und einem scheiben förmigen Ventilkörper (Ventilscheibe), der über federn de Elemente mit dem Rand der Ventilkammer verbunden und gesteuert in zwei unterschiedliche Stellungen bewegbar ist, in denen er eine Ventilöffnung am Boden der Ventilkammer verschließt bzw. freigibt, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ventilscheibe (4) als Magnetanker (4, 9) für eine im Bereich der Ventilöffnung (7) gelegene Elektrospule (10) ausbildet ist.

2. Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilscheibe (4) mit einer magnetischen Schicht (9) aus weich- oder hartmagnetischem Material versehen ist.

3. Mikroventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ventilscheibe (4 a) aus einer Folie (3 a) herausgeformt ist und als separates Bauteil auf ein die Ventilkammer (6 a) aufnehmendes Substrat (2 a) montiert ist.

4. Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrospule (10) an der der Ventilscheibe (4) abgewandten Rückseite der Ventilkammer (6) angeordnet ist.

5. Mikroventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrospule (10) die Ventilöffnung umringt.

6. Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß zusätzlich zur Elektrospule (10) im Bereich der Ventilöffnung (7) ein Permanentmagnet (12) als Halte magnet für die Ventilscheibe (4) vorgesehen ist.

7. Mikroventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (12) ein Ringmagnet ist, der die Ventilöffnung (7) konzentrisch umgibt und seiner seits von der Elektrospule (10) umringt ist.

8. Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroventil (1) mikro mechanisch ausgehend von einem Silizium-Substrat (2) aufgebaut ist.

9. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroventil ausgehend von einem Al₂O₃-Substrat (2 a) aufgebaut ist.

10. Mikroventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrospule (10′) am Boden der Ventilkammer (6) angeordnet ist.

11. Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroventil (1) als Mikropumpe verwendet wird.