DE3802545C2

DE3802545C2 -

Info

Publication number: DE3802545C2
Application number: DE19883802545
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. 1000 Berlin De Benecke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1988-01-28
Filing date: 1988-01-28
Publication date: 1990-12-20
Also published as: DE3802545A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe mit einer Pumpenkammer mit Einlaßöffnung und Auslaßöffnung, die mit Hilfe der Mikromechanik aus Halbleitermaterial herstellbar ist. Solche Mikropumpen sollen zur Förderung kleinster Gasmengen in der Medizintechnik, z. B. für die Förderung von Narkosegasen und in der Analytik, z. B. für die Gaschromatographie oder für die Kontrolle der Luftverschmutzung eingesetzt werden. Für bestimmte Anwendungsfälle sollen die äußeren Abmessungen der Pumpe möglichst klein sein. So existieren Gaschromatographen, die mit Hilfe der Mikromechanik auf einem Silizium-Wafer integriert werden. Sie müssen allerdings mit externen Pumpen betrieben werden.

Schwierigkeiten kleinste Pumpen herzustellen bereiten vor allem die beweglichen Teile.

Kleinste mechanisch bewegliche Bauteile werden heute mit Hilfe der Mikromechanik gefertigt. In den Offenlegungsschriften DE 36 21 331 und DE 36 21 332 werden z. B. mikromechanisch herge stellte Ventile beschrieben.

Die Wirkung des in der DE-OS 36 21 331 beschriebenen Ventils be ruht darauf, daß eine federnd aufgehängte Platte mit Hilfe elek trostatischer Kräfte gegen eine Ventilöffnung gedrückt werden kann. Bei dem in der DE-OS 36 21 332 gekennzeichneten Ventil wird eine federnd aufgehängte Ventilplatte mit Hilfe elektro magnetischer Kräfte gegen eine Ventilöffnung gedrückt. In beiden Fällen wird die Bewegung der Platte durch elektrische Ansteue rung bewirkt.

In den genannten Offenlegungsschriften werden Hinweise gegeben, daß die Mikroventile als Pumpen eingesetzt werden können. Aller dings ist die mit einer solchen Pumpe erzielbare Pumpwirkung zur Förderung eines Pumpmediums unzureichend. Eine feine Dosierung der Fördermenge ist mit einer derartigen Pumpe nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikropumpe zu schaffen, die kleinste Mengen fein dosiert fördert.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Mikropumpe gelöst.

Bei dieser Mikropumpe können die mechanisch aktiven Komponenten durch Ätzverfahren an der Wafervorder- und -rückseite herge stellt werden, wie dies für einzelne Ventilplatten in den Offen legungsschriften DE 36 21 331 und DE 36 21 332 gezeigt ist.

Um eine Förderwirkung zu erreichen, wird in der Patentschrift US 38 98 017 im Gegensatz zu den genannten Offenlegungsschriften das Prinzip der Förderung durch Wärmeausdehnung des Pumpmediums beschrieben. Mit der dort angegebenen Pumpe wird z. B. Luft in Fischaquarien eingeleitet. Dazu sind in der Pumpenkammer eine Heizung und in den Zuführungen zu der Pumpenkammer Rückschlag ventile vorgesehen.

Bei der erfindungsgemäßen Pumpe sind die Pumpenkammer sowie die Ein- und Auslaßventile in demselben Halbleiterkörper integriert. Aufgrund des geringen Volumens der Pumpenkammer wird durch das in der Pumpenkammer angeordnete Heizelement eine genau dosierte Förderung erzielt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 2 und 3 kommen durch die Verwendung der gebräuchlichsten Materialien den Verfahren der Mikromechanik noch weiter entgegen. Besonders vorteilhafte Maß nahmen sind in Anspruch 3 gekennzeichnet, weil damit eine gün stige Geometrie des Pumpenraums durch die Wahl der Orientierung des Wafers erreicht werden kann. Die federnde Aufhängung der Ventilplatten kann nach Anspruch 4 gleichzeitig mit den Ventil platten in denselben Arbeitsschritten hergestellt werden.

Für bestimmte Anwendungen ist die Mikropumpe sowohl zur Hinter einanderschaltung als auch zur Parallelschaltung geeignet. Meh rere solcher Pumpen können gleichzeitig auf demselben Wafer her gestellt werden. Die Mikropumpe kann aber auch mit anderen mikromechanisch hergestellten Komponenten (z. B. Gaschromato graph) oder mit elektronischen Komponenten, z. B. zur Steuerung des Heizwiderstandes, auf einem Chip integriert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Be nutzung der Zeichnungen näher erläutert. Zur besse ren Veranschaulichung sind die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Mikropumpe,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ablaufes des Herstellungsverfahrens für eine Mikro pumpe.

Die in Fig. 1 dargestellte Mikropumpe zur Förderung kleinster Gasmengen weist einen Pumpenraum (11), ein Einlaßventil, gebil det aus der Ventilplatte (4) und der Ventilfläche (19), ein Aus laßventil, gebildet aus der Ventilplatte (3) und der Ventil fläche (7), und einen Heizwiderstand (10) auf.

Die Höhe des Pumpenraumes entspricht der Waferdicke von einigen hundert Mikrometern. Die Abstände der beweglich aufgehängten Ventilplatten von den Ventilflächen betragen einige Mikrometer. Die Gesamtfläche der Pumpe weist ungefähr 1 mm² auf.

Durch Einschalten des Heizwiderstandes (10) erwärmt sich das Gas im Pumpenraum (11). Wegen der damit verbundenen Druckerhöhung im Pumpenraum wird die Ventilplatte (4) gegen die Ventilplatte (19) gedrückt, so daß die Ventilöffnung (8) verschlossen wird. Gleichzeitig wird durch den erhöhten Druck die Ventilplatte (3) von der Ventilfläche (7) weggedrückt und das Gas strömt durch die Ventilöffnung (6) aus dem Pumpenraum.

Beim Ausschalten des Heizwiderstandes (10) verringert sich der Druck im Pumpenraum (11), die Ventilplatte (3) wird gegen die Ventilfläche (7) gedrückt und schließt damit die Ventilöffnung (6), die Ventilplatte (4) wird von der Ventilfläche (19) wegge drückt und Gas strömt durch die Öffnung (8) in den Pumpenraum.

Durch periodisches Ein- und Ausschalten des Heizwiderstandes entsteht so ein Gasfluß durch die Ventilöffnung (8) in Richtung der Ventilöffnung (6).

Die eben beschriebene Mikropumpe ist durch Verfahrensschritte der Mikromechanik herstellbar, die schematisch in Fig. 2 dargestellt sind. Das Ausgangsmaterial in (A) besteht aus einem Silizium-Wafer (12) in (100)-Orientierung, dessen Vorderseite (V) zur Herstellung der Ventilfläche (7) und der Ventilöffnung (6) in lokalen Bereichen (13) mit hoher Konzentration (1 · 10²⁰ cm^-3) dotiert wird. (B)

Zur Wahrung des Abstandes im drucklosen Zustand zwischen Ventil platte (3) und Ventilfläche (7) wird epitaktisch auf der Wafer vorderseite eine niedrig-Bor-dotierte Distanzschicht (14) mit einer Dicke von einigen Mikrometern abgeschieden. Auf Wafervor der- und -rückseite wird je eine hoch-Bor-dotierte Schicht (15, 16) mit einer Dicke von einigen Mikrometern abgeschieden, die das Material für die Ventilplatten (3, 4) und die Arme (5) zu den federnden Halterungen darstellen. Beidseitig wird der Wafer zum Schutze gegen die Ätzlösungen mit passivierenden Schichten (17, 18) überzogen. (C)

Unter Verwendung photolithographischer Verfahren werden auf Wafervorder- und -rückseite die Strukturen der Ventilplatten (3, 4) und der Arme (5) definiert und an den entsprechenden Stellen die Passivierungsschichten entfernt. In einem isotropen Ätzver fahren werden aus den hoch-Bor-dotierten Schichten die Struktu ren der Ventilplatten (3, 4) und der Arme (5) freigeätzt. Mit einem anisotropen Ätzverfahren, das die hoch-Bor-dotierten Be reiche nicht angreift, werden die Ventilplatten und die Arme un terätzt und freigelegt und der Pumpenraum (11) herausgebildet. (D)

Auf einem zweiten Substrat (2) wird mit Hilfe der Foto lithographie die Struktur der Vertiefung (9) und der Ventilöff nung (8) definiert und anschließend aus dem Substrat geätzt. In der Vertiefung wird eine Widerstandsstruktur (10) angebracht und schließlich werden, nach Entfernung der Passivierungsschichten von Chip (1), beide Chips beispielsweise mit anodischer Verbin dungstechnik aneinandergefügt. Dabei werden das Silizium- und das Glas-Substrat aneinandergepreßt, auf etwa 400°C bis 500°C erwärmt und eine Spannung von etwa 1 kV angelegt. Dadurch ent steht eine sehr feste Verbindung der beiden Substrate. Für die Verbindung der beiden Substrate (1, 2) eignen sich auch Klebe techniken, eutektische Zwischenschichten oder niedrig schmel zende Gläser.

Claims

1. Mikropumpe zur Förderung kleinster Gasmengen mit einer Pumpenkammer (11) mit Einlaßöffnung und Auslaßöffnung, die aus zwei miteinander verbundenen Körpern besteht, von denen wenigstens der erste Körper (1) ein Halblei terkörper ist und die Pumpenkammer (11) enthält, wobei eine von der Auslaßöffnung geringfügig beabstandete, federnd aufge hängte erste Ventilplatte (3) und eine von der Einlaßöffnung geringfügig beabstandete, federnd aufgehängte zweite Ven tilplatte (4) monolithisch in den ersten Körper (1) integriert sind, und in der Pumpenkammer (11) ein mittels einer Steuerung steuerbares Heizelement (10) angebracht ist und die Einlaß öffnung in dem zweiten Körper (2) angeordnet ist.

2. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Körper (1) aus Silizium und der zweite Körper (2) aus Sili zium oder Glas besteht.

3. Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial ein Silizium-Wafer in (100)-Orientierung Verwendung findet und daß die seitlichen Begrenzungen des Pumpenraumes durch (111)-Ebenen des Silizium-Wafers gebil det werden.

4. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Aufhängungen der Ventilplatten in Form von Sili zium-Armen (5) ausgebildet sind.