DE4027989C2 - Mikropumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Eine Mikropumpe, basierend auf mikromechanischer Bearbeitung von Silizium, ist in "Sensors and Actuators", 15 (1988), Seiten 153 bis 167 beschrieben.

Eine andere bekannte Mikropumpe nach "FHG-Berichte" 2/90, Seiten 62 und 63, ist nur für ionisierbare Flüssigkeiten, also elektrisch leitfähige Flüssigkeiten geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikropumpe zu schaffen, die einfach aufgebaut und in einheitlicher Technologie herstellbar ist. Ferner soll sie vielseitig anwendbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß dem Patentanspruch 1.

Die erfindungsgemäße Mikropumpe besteht im wesentlichen nur aus zwei Hauptteilen, gestattet das Dosieren kleinster Fluid-, insbesondere Flüssigkeitsmengen und ist insbesondere auch für biologische, chemische oder medizinische Zwecke geeignet.

Die erfindungsgemäße Pumpe ist geeignet, mit Gegendruck oder ohne Gegen­ druck sowie mit Vakuum zu arbeiten, sie ist leicht ansteuerbar bzw. antreibbar.

Durch die Anordnung je eines Zu- und eines Abflußventils vor bzw. hinter einer Pumpkammer der Mikropumpe und mehrerer solcher Dreier-Anordnungen nebeneinander/parallel lassen sich die beschriebenen Ventile digital adressieren/ansteuern und trotzdem eine näherungsweise analoge Fluid­ steuerung erzielen. Die Ventile sind dabei in vorteilhafter Weise in x-y-Richtung über eine Fläche verteilt, also in Spalten und Linien (Array). Die Hauptteile aus Halbleiterwerkstoff sind hier auf mikromechanischem Wege hergestellt. Die Ansteuerschaltung der Ventile ist auf dem gleichen Substrat integriert und diesem benachbart. Besonders vorteilhaft ist es, daß kristallines Silizium verwendet wird und die Strukturierung mit Hilfe anisotroper Ätztechniken erfolgt, einschließlich Unterätzen für die Zungen oder Paddel. Auch die V-Gräben, welche die Ventile mit den Pumpkammern verbinden, sind in der gleichen Ätztechnik strukturiert.

Beim einkristallinen Silizium ist man bezüglich der Formbarkeit einer Struktur einzig durch dessen Kristallorientierung beschränkt. Mit einer Ätzstopschicht (Bordotierung) läßt sich der Ätzprozeß ebenfalls in ge­ wünschter Weise beeinflussen.

Obwohl ein Antrieb der Membranen der Mikropumpe im Beispiel durch wech­ selseitiges Ansteuern der mit Elektroden versehenen Membranen, die dann als Kondensatorplatten wirken, erfolgt, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, es können auch andere elektrische, mechanische oder magneti­ sche oder andere Antriebe/Ansteuerungen erfolgen. Ein Beispiel weiterer Betriebsarten und Ansteuerungen ist der deutschen Patentanmeldung P 39 14 031 (eigene Akte 10 677) zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist rein schematisch in den beige­ fügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Hauptteil der Mikropumpe und

Fig. 2 eine Mikropumpe im zusammengebauten Zustand im Schnitt, beste­ hend aus zwei Hauptteilen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel besteht die Anordnung im wesentlichen aus zwei Silizium-Wafern, in denen die Strukturen untergebracht sind mit Hilfe anisotroper Ätztechniken in kristallinem Silizium. Die Siliziumteile sind die zwei Hauptteile 1 und 2 der erfindungsgemäßen Mikropumpe. Im Zentralbereich dieser Siliziumplättchen oder Chips, die aus Großsubstraten herausgeschnitten werden und ggf. später wieder zu Arrays zusammengesetzt werden oder zusammenbleiben, enthalten Pumpkammern, gebildet aus einer oberen beweglichen Membran 3a und einer unteren beweglichen Membran 3b. Die Anordnung bzw. Zuordnung von Teil 1 und Teil 2 ist auch umkehrbar.

Auf der innenliegenden Seite der Membran sind Metallelektroden 4 und 5 befindlich, die die Kondensatorelektroden oder Kondensatorplatten für den kapazitiven Antrieb bei Ansteuern durch Anlegen einer Wechselspan­ nung bilden. Dann vergrößert sich das Kammervolumen der Mikropumpe in der Kammer 6, die Ventile werden von einem nach oben auslenkenden Paddel 7 und einem nach unten auslenkenden Paddel 8 gebildet. V-Gräben 9 bilden ihrerseits die Verbindung zwischen den Ventilen 7 und 8 zur Kammer 6. Die Paddel sind unterätzt und mit einer Öffnung im gegenüberliegenden Wafer verbunden, welcher kleiner ist als die, aus der sie herausgeätzt sind. Mit den Ventilen sind bevorzugt seitlich herausgeführte Anschlüsse an ein Fluidreservat jeweils auf der Zu- und Abflußseite verbunden, je­ doch in der Zeichnung wegen der Vereinfachung der Darstellung in dieser nicht gezeigt.

Wie Fig. 2 besonders deutlich zeigt, besteht hier eine Dreieranordnung hintereinander, links ein Ventil, das normalerweise offen ist und in ei­ ne geschlossene Stellung bewegbar ist, in der Mitte die Pumpkammer und rechts davon ein Ventil, das normalerweise geschlossen ist, jedoch durch Druck von der Pumpe geöffnet werden kann. Je nach Größe des gewählten Kammervolumens und der Membrandehnbarkeit bzw. -antrieb kann die Menge des gepumpten Fluids verändert werden. Der kapazitive Antrieb der Membran über die als Kondensatorplatten wirkenden, einander gegenüberliegenden Elektroden 4, 5 ist der bei weitem einfachste Antrieb. Außerdem kann die Wechselspannung, die angelegt wird, verändert werden.

Der in der Zeichnung (Fig. 2) obere Wafer aus einkristallinem Silizium besitzt ein Paddel, dessen Unterätzung soweit geht, daß ein Loch ent­ steht, das dieses umgibt, wie Fig. 1 zeigt, bis auf einen kleinen Steg 10 am linken unteren Ende. Auch das gegenüberliegende Paddel besitzt ei­ nen Steg 11. Das Paddel paßt auf eine im zweiten Wafer freigeätzte Ver­ tiefung, die kleiner ist und mit einem oder mehreren V-Gräben 9 mit der Pumpkammer 6 verbunden ist. Diese Kammer besteht aus einer durch einen Ätzstop erzeugten Vertiefung. An der Innenseite ist eine Metallschicht; (z. B. aus Gold) angebracht, die die Kondensatorelektrode bildet. Die Gegenelektrode ist am gegenüberliegenden Wafer angebracht (jeweils auf Teil 1 und 2 gegenüberliegend). Wenn das linke Ventil 7 als Einlaßventil geschaltet ist, so wirkt das rechte Ventil 8 als Auslaßventil. Die Aus­ laßstelle besteht dann wieder aus einem unterätzten Paddel, das mit ei­ ner kleineren Öffnung im oberen Wafer verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Pumpe ist für die angegebenen Zwecke bestens geeig­ net, gewünschtenfalls auch körperverträglich (implatierbar), d. h. mit Zu- und Ableitungen sowie elektrischen Antriebs- und Ansteuerschaltele­ menten gekapselt (z. B. in Fig. 2 zwischen den Hauptteilen 1 und 2) rechts und links durch anodisches Bonden mit Hilfe einer Glasschicht oder ähnlichem. Eine solche integrierte Anordnung einschließlich Array­ anordnung ergibt die eingangs geschilderten Vorteile.

Claims (3)

1. Mikropumpe für dosierte Abgabe kleinster Mengen eines Fluids, insbesondere einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit, hergestellt aus zwei Hauptteilen, die auf mikromechanischem Wege strukturiert und danach miteinander verbunden werden, wobei auf zur Pumpkammer entgegengesetzt angeordneten Seiten Ventile gegenläufig arbeiten, also ein erstes Ventil im Offen/Zu-Modus und ein zweites Ventil im Zu/Offen-Modus, während die Membranen der Pumpkammer mit Zug/Druck beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß als Ventile, in kristallinem Silizium durch anisotropes Ätzen strukturiert, Zungen oder Paddel aus den Hauptteilen herausgearbeitet sind und
• b) daß eine Pumpkammer definierten Volumens zentral und je ein Ventilraum auf beiden Seiten einer Pumpkammer angeordnet ist und die Räume von Pumpkammer und Ventilraum miteinander durch V-Gräben verbunden sind.

2. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Pumpe kapazitiv erfolgt durch wechselseitiges Ansteuern der mit Elektroden versehenen Membranen.

3. Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden digital ansteuerbar sind.