DE4140922C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Filter mit einer mit Öffnungen versehenen Oberschicht, einer Un­ terschicht und einer in vorbestimmten ersten Bereichen zwischen Oberschicht und Unterschicht vorgesehenen Zwi­ schenschicht, die den Abstand zwischen Oberschicht und Unterschicht in vorbestimmten zwischenschichtfreien zweiten Bereichen im wesentlichen bestimmt, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Filters, bei dem die Oberschicht und die Unterschicht über die Zwischen­ schicht zusammengefügt werden, wobei durch Entfernen von Teilen der Zwischenschicht erste und zweite Berei­ che gebildet werden.

Ein derartiges Filter ist aus WO 89/08 489 bekannt. Hierbei weisen Oberschicht und Unterschicht Öffnungen auf, die gegeneinander versetzt sind. Diese Öffnungen sind durch zwischenschichtfreie zweite Bereiche mitein­ ander verbunden, so daß ein Fluidpfad von einer Öffnung in der Oberschicht durch den Zwischenraum zwischen Oberschicht und Unterschicht zur Öffnung in der Unter­ schicht gebildet werden kann. Der Durchlaßgrad des Fil­ ters oder die Filteröffnung wird hierbei durch den Ab­ stand zwischen Oberschicht und Unterschicht bestimmt. Dieser Abstand seinerseits ist durch die Stärke der Zwischenschicht bestimmte die Oberschicht und Unter­ schicht gegeneinander abstützt. Die Begriffe "Ober­ schicht" und "Unterschicht" dienen hier lediglich zur Unterscheidung zweier Schichten. Sie bestimmen nicht die Orientierung des Filters im Raum.

Beim bekannten Filter ist eine relativ große Druckdif­ ferenz notwendig, um das Fluid durch das Filter zu treiben. Dies führt zu einem entsprechend hohen Druck­ abfall über das Filter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter anzugeben, das beim Filtern einen geringeren Druckab­ fall bewirkt.

Diese Aufgabe wird bei einem Filter der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß dritte Bereiche vorge­ sehen sind, in denen der Abstand zwischen Oberschicht und Unterschicht größer als in den ersten und zweiten Bereichen ist.

In den dritten Bereichen ist also der Strömungswider­ stand für das Fluid ganz erheblich herabgesetzt. Die Filterwirkung leidet darunter nicht, da durch die zwei­ ten Bereiche nach wie vor die Filtercharakteristik be­ stimmt wird. Je nach dem Abstand der Oberschicht von der Unterschicht in den zweiten Bereichen läßt dieses Filter nur entsprechende Partikelgrößen passieren und hält andere zurück. In den dritten Bereichen entsteht zwar ein größeres Totvolumen. Dieses ist jedoch wesent­ lich besser kontrollierbar als im bekannten Fall. Bei­ spielsweise kann ein Fluid aus den dritten Bereichen wesentlich besser abfließen, wodurch das Filter besser entleerbar ist. Trotz des größeren Abstandes in den dritten Bereichen ist es möglich, die Oberschicht ge­ genüber der Unterschicht in den ersten Bereichen aus­ reichend abzustützen, so daß ein robuster mechanischer Aufbau erzielbar ist. Der Grad der Abstützung und die Anzahl der Abstützstellen richten sich dabei nach dem gewünschten Verwendungszweck.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vor­ gesehen, daß zwischen einem dritten Bereich und einer Öffnung ein zweiter Bereich vorgesehen ist. Hierdurch wird bewirkt, daß in diesem dritten Bereich lediglich gefiltertes Fluid strömt. Das Filter wird dadurch gut kontrollierbar.

Auch ist bevorzugt, daß die Fläche der dritten Bereiche wesentlich größer als die der zweiten Bereiche ist. Die zweiten Bereiche, die den Hauptströmungswiderstand bil­ den, reichen dann zwar noch zum Rückhalten der ge­ wünschten Partikel aus. Eine größere Breite ist jedoch nicht erforderlich, wodurch der Strömungswiderstand des Filters im gewünschten Maße klein gehalten werden kann.

Vorteilhafterweise bilden die dritten Bereiche Kanäle. In diesen Kanälen kann das durch das Filter strömende Fluid gesammelt und gezielt geleitet werden. Hierdurch wird bereits im Filter eine Steuerung der Fluidströmung bewirkt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht weiterhin vor, daß eine Vielzahl von Kanälen parallel geschaltet sind. Hierdurch addieren sich die Strömungsleitwerte der ein­ zelnen Kanäle, was zu einer weiteren Herabsetzung des Strömungswiderstandes führt.

Auch ist bevorzugt, daß die dritten Bereiche mit minde­ stens einem Zufluß und mindestens einem Abfluß in Ver­ bindung stehen. Es läßt sich hierdurch eine Strömung durch die dritten Bereiche erzielen, was das Filter insbesondere zur Verwendung als Dialysefilter geeignet macht. Hierbei können Partikel oder im Extremfall sogar Elementarteilchen, wie Ionen, durch den durch die zwei­ ten Bereiche gebildeten Filterspalt von den Öffnungen in die dritten Bereiche gelangen und von einem vom Zu­ fluß zum Abfluß strömenden Akzeptor-Medium aufgenommen werden.

Hierbei ist von Vorteil, daß der Zufluß und/oder der Abfluß in eine Sammelkammer münden. In der Sammelkammer kann das Akzeptor-Medium auf die Kanäle verteilt oder von dort wieder eingesammelt werden. Dies erlaubt eine relativ einfache Steuerung des Akzeptor-Mediums.

Bevorzugterweise weisen die Öffnungen eine größere Län­ ge als Breite auf und ihre Breite entspricht im wesent­ lichen der Breite der Kanäle, wobei ein Übergang von einer Öffnung in einen Kanal im wesentlichen an deren Längsseiten erfolgt. Hierdurch läßt sich eine Anglei­ chung des Strömungsverhaltens durch die Öffnungen an das Strömungsverhalten durch die Kanäle erreichen. Das Spender-Medium und das Akzeptor-Medium können im we­ sentlichen parallel zueinander fließen, wobei die ge­ wünschten Teilchen durch den Filterspalt in den zweiten Bereichen aus dem Spender-Medium in das Akzeptor-Medium überwechseln können.

Hierzu ist bevorzugt, daß die Kanäle gruppenweise im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, wobei benachbarte Gruppen derart angeordnet sind, daß die Enden der jeweiligen Kanäle zueinander weisen und nur ein Ausströmbereich oder nur ein Einströmbereich zwi­ schen zwei benachbarten Gruppen gebildet ist. Der Ein­ strömbereich steht hierbei mit dem Zufluß und der Aus­ strömbereich mit dem Abfluß in Verbindung. Innerhalb einer Gruppe sind die Kanäle parallel zueinander ange­ ordnet. Zwei benachbarte Gruppen haben einen Einström­ bereich oder einen Ausströmbereich gemeinsam. Dies führt dazu, daß die einzelnen Gruppen untereinander wiederum parallel angeordnet sind.

Vorteilhafterweise schließen zwei benachbarte Gruppen zusammen einen Winkel ein, wobei im Spitzenbereich des Winkels eine Trennung zwischen Einström- und Ausström­ bereich vorgesehen ist. Da die Gruppen selber den Ein­ strömbereich vom Ausströmbereich trennen, ist durch den Winkel dafür gesorgt, daß eine Trennung zwischen Ein­ strömbereich und Ausströmbereich dort, wo keine Kanal- Gruppen vorhanden sind, auf einen engen Raum begrenzt ist. Die Maßnahmen zum Trennen des Einströmbereichs vom Ausströmbereich verursachen daher nur einen geringen Aufwand.

Mit Vorteil ist eine Mehrzahl von Gruppen nach Art ei­ nes Mäanders angeordnet, der den Einströmbereich vom Ausströmbereich trennt. Da sowohl die einzelnen Gruppen als auch die Kanäle innerhalb einer Gruppe parallel geschaltet sind, ergibt sich hierdurch eine Parallel­ schaltung von sehr vielen Kanälen, was zu einer erheb­ lichen Verminderung des Strömungswiderstandes des Fil­ ters, insbesondere für das Akzeptor-Medium, beiträgt und gleichzeitig eine große Übergangsfläche zwischen dem Spender-Medium und dem Akzeptor-Medium bewirkt. Dabei wird aber die Baugröße des Filters kleingehalten. Im Prinzip addieren sich nur die durch die Längen der Kanäle bestimmten Längen der einzelnen Gruppen, nicht jedoch die durch die Summe der Breiten der Kanäle be­ stimmte Gesamtbreite aller Kanäle.

Auch ist bevorzugt, daß eine Mehrzahl von Mäandern vor­ gesehen ist, wobei zwischen benachbarten Mäandern ent­ weder nur ein Einströmbereich oder nur ein Ausströmbe­ reich vorgesehen ist. Mit dieser Maßnahme läßt sich erreichen, daß eine große Anzahl von Kanälen vorgesehen werden kann, insbesondere wenn die Kanäle relativ kurz sind. Man kommt hierbei ohne Schwierigkeiten auf 1500 Kanäle auf einer Fläche von 1 cm².

Bevorzugterweise ist die Unterschicht aus Borosilikat- Glas gebildet. Dieses Material hat sich in der Mikro- Technik bewährt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Filter auf der die Öffnungen aufweisenden Seite von einer Schutzschicht überdeckt sein, die mindestens ei­ nen Teilbereich der Öffnungen freiläßt. Hierdurch läßt sich zwar eine Beschickung der Öffnungen erreichen. Gleichzeitig ist aber die Oberschicht weitgehend vor mechanischen Einflüssen und damit einhergehenden Be­ schädigungen geschützt.

Bevorzugterweise ist die Oberschicht beim Übergang von einem ersten oder einem zweiten Bereich zu einem drit­ ten Bereich in Bezug zur Unterschicht geneigt. Dies erleichtert die Herstellung und verbessert das Strö­ mungsverhalten.

Auch ist bevorzugt, daß eine insbesondere durch zwei Elektroden gebildete Heizeinrichtung vorgesehen ist. Über die Elektroden kann ein Strom über das Filter er­ zeugt werden. Da der Filter einen gewissen elektrischen Widerstand aufweist, führt dieser Strom zu einer Erwär­ mung, die ohne weiteres zu einer Temperatur von 100°C in Luft führen kann. Hierdurch können biologische Ver­ unreinigungen des Filters, wie Ablagerungen von Bakte­ rien, unschädlich gemacht werden.

Für die einzelnen Schichten lassen sich bevorzugterwei-­ se verschiedene Materialkombinationen verwenden. So kann die Oberschicht aus Silizium, dotiertem Silizium oder Bor-dotiertem Silizium bestehen. Die Zwischen­ schicht kann aus Quartz gebildet sein, wobei die Unter­ schicht aus Silizium oder Glas gebildet ist. Schließ­ lich kann die Zwischenschicht aus Metall, insbesondere Aluminium, bestehen, während die Oberschicht aus Sili­ zium und die Unterschicht aus Glas gebildet ist.

In einer bevorzuguten Ausführungsform weist der Filter einen integrierten Leitfähigkeitsmesser auf, der ins­ besondere in der Sammelkammer angeordnet ist. Mit einem derartigen Leitfähigkeitsmesser läßt sich die elektri­ sche Leitfähigkeit der Medien, insbesondere des Akzep­ tor-Mediums, ermitteln. Auf der Basis dieser Werte läßt sich der Zufluß zum Filter steuern. Bei der Anordnung des Leitfähigkeitsmessers in der Sammelkammer läßt sich das kleine Totvolumen des Filters gut ausnützen, wo­ durch man eine sehr schnelle Reaktion erhält.

Bevorzugterweise ist der Leitfähigkeitsmesser durch einen auf die Unterschicht oder Oberschicht aufgebrach­ ten Dünnfilm gebildet, in dem paarweise Elektroden aus­ gebildet sind. Die paarweise zusammenwirkenden Elektro­ den erlauben es, einen Strom durch das zu untersuchende Medium zu schicken, mit dessen Hilfe die Leitfähigkeit des Mediums ermittelt werden kann.

Um eine relativ große Elektrodenfläche zu erhalten, ist bevorzugterweise vorgesehen, daß die Elektroden jeweils aus einer Hauptleitung vorstehenden Zinken aufweisen, wobei die Zinken einer Elektrode in die Lücken der an­ deren Elektrode hineinragen.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines der­ artigen Filters für die chemische Analyse, insbesondere für die Gasanalyse.

Bei dem Verfahren der eingangs genannten Art ist vor­ gesehen, daß vor dem Zusammenfügen der Oberschicht mit der Unterschicht dritte Bereiche in der Oberschicht ausgebildet werden. Da die dritten Bereiche beim Aus­ bilden noch frei zugänglich sind, können sie leicht geformt und den herrschenden Bedürfnissen angepaßt wer­ den.

Bevorzugterweise wird die Unterschicht mit der Zwi­ schenschicht durch Bonden verbunden. Bonden ist ein für die Mikro-Technik sehr geeignetes Verfahren, das auch aus der Halbleitertechnik bekannt ist. Es handelt sich hierbei um eine anodische Verbindungstechnik.

Auch ist bevorzugt, daß die zu entfernenden Teile der Zwischenschicht vor dem Zusammenfügen mit der Unter­ schicht entfernt werden. Dies ermöglicht eine schnel­ lere Fertigung.

Vorteilhafterweise werden die dritten Bereiche aus ei­ nem Substrat herausgeätzt und die entstandenen Ausneh­ mungen mit der Oberschicht ausgekleidet. Später wird das Substrat dann entfernt. Diese "Negativ-Formung" erlaubt eine hohe Präzision beim Erzeugen der Ober­ schicht.

Zweckmäßigerweise wird hier vor dem Entfernen des Sub­ strats die Zwischenschicht aufgebracht. Dies erleich­ tert die Fertigung.

Die Oberschicht kann auch durch mechanisch, insbesonde­ re durch Stanzen, Prägen oder Bohren, bearbeitetes Me­ tall oder Kunststoff geringer Stärke gebildet werden.

Auch ein Auftrag mittels Dünnfilmtechnik auf einem Sub­ strat aus z. B. Silizium ist möglich.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Zwischenschicht aufge­ dampft wird. Bevorzugterweise wird hierbei Aluminium verwendet. Techniken dieser Art sind aus der Halblei­ tertechnik bekannt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Filters im Schnitt,

Fig. 2 einige Schritte beim Verfahren zur Herstel­ lung des Filters,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Filters,

Fig. 4 ein Beispiel für die Verwendung des Filters als Dialysefilter,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Dialyse­ filters und

Fig. 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 5.

Ein Filter 1 weist eine Oberschicht 10, eine Zwischen­ schicht 11 und eine Unterschicht 12 auf. Die Ober­ schicht 10 weist Öffnungen 13 auf. Die Oberschicht 10 und die Unterschicht 12 sind in vorbestimmten ersten Bereichen A mit der Zwischenschicht 11 verbunden. Fer­ ner gibt es zwischenschichtfreie zweite Bereiche B, in denen der Abstand zwischen Oberschicht 10 und Unter­ schicht 12 der Stärke der Zwischenschicht 11 ent­ spricht. Diese zweiten Bereiche B sind den Öffnungen 13 benachbart angeordnet. Ferner sind dritte Bereiche C vorgesehen, in denen der Abstand zwischen Oberschicht 10 und Unterschicht 12 größer als in den ersten Berei­ chen A und zweiten Bereichen B ist. Der Zwischenraum zwischen der Oberschicht 10 und der Unterschicht 12 in den zweiten Bereichen B bildet einen Filterspalt 14, durch den ein durch die Öffnungen 13 eintretendes Fluid treten muß, um zu den dritten Bereichen C zu gelangen. Die dritten Bereiche sind kanalartig ausgebildet, so daß das durch den Filterspalt 14 tretende Fluid an ei­ ner nicht näher dargestellten Stelle auch wieder abge­ führt werden kann. Da die Kanalhöhe wesentlich größer ist als die Höhe der Spalten 14, ist der Strömungswi­ derstand, der durch den Filterspalt 14 erzeugt wird, wesentlich kleiner als der durch den Kanal 15 erzeugte. Insgesamt kann also der Strömungswiderstand des Filters kleingehalten werden.

Fig. 2 zeigt beispielhaft die Herstellung eines derar­ tigen Filters mit drei Kanälen 15. Hierzu können bei­ spielsweise Standardverfahren verwendet werden, wie sie aus der Mikromechanik bekannt sind, wie Oxidation, ani­ sotropes Ätzen oder dotiertes-selektives Ätzen, wie sie auch aus WO 89/08 489 bekannt sind. Das Atzen kann durch vorherige Diffusionsschritte, beispielsweise mit Bor, beeinflußt werden.

In Fig. 2a ist ein Siliziumsubstrat 16 gezeigt, das auf einer Oberseite und auf seiner Unterseite jeweils eine Oxidschicht 17, 18 trägt. Die Oxidschicht 18 auf der Unterseite des Substrats 16 ist bereits selektiv geätzt worden und zwar in Bereichen, die später den dritten Bereichen C entsprechen sollen.

Fig. 2b zeigt das Ergebnis eines Ätzens in KOH (Kalium­ hydroxid) oder eines anisotropen Ätzens, bei dem Aus­ nehmungen 19 entstanden sind. Hierbei wurde auch der in Fig. 2a noch dargestellte Rest 20 der Oxidschicht 18 auf der Unterseite des Substrats 16 weggeätzt, bei­ spielsweise mit Flußsäure. Hier entsteht später ein erster Bereich A.

Fig. 2c zeigt die Erzeugung der Oberschicht 10 durch Bor-Diffusion in den Bereichen, die später den ersten, zweiten und dritten Bereichen A, B, C entsprechen. Die Oberschicht 10 wird hierdurch die freie mit Bor ange­ reicherte Fläche des Siliziumsubstrats 16 gebildet, wobei sie auch den Ausnehmungen 19 folgt. Sodann wird beim Übergang von Fig. 2c auf Fig. 2d die verbleibende Oxidschicht 18 auf der Unterseite des Substrats 16 weg­ geätzt, wobei die durch Bor-Diffusion erzeugte Ober­ schicht 10 dem Ätzen einen erhöhten Widerstand entge­ gensetzt und somit bestehen bleibt. In Fig. 2d ist das Ergebnis zu sehen, das sich nach dem Auftragen der Zwi­ schenschicht 11 und dem Anfügen der Unterschicht 12 ergibt. Die Unterschicht 12 kann beispielsweise aus Pyrex-Glas bestehen, das elektrostatisch mittels Bon­ den, d. h. einer anodischen Verbindungstechnik, mit der Zwischenschicht 11 verbunden wird.

Im nächsten Verfahrensschritt, dessen Ergebnis in Fig. 2e dargestellt ist, wird das Substrat 16 selektiv weggeätzt, so daß lediglich links und rechts Wände 21, 22 stehen bleiben. Im übrigen verbleibt oberhalb der Unterschicht 12 lediglich die Oberschicht 10, die durch Öffnungen 13 unterbrochen ist, und die Zwischenschicht 11 bestehen. Durch die Öffnungen 13 kann nun auch noch die Zwischenschicht 11 bis auf einen Rest im ersten Bereich A entfernt werden, so daß die gleichen charak­ teristischen Ausbildungen des Filters entstehen, wie sie auch in Fig. 1 dargestellt sind. Der rechte der drei Kanäle 15 hängt natürlich nicht in der Luft. Der Bereich A, über den er mit der Unterschicht 12 verbun­ den ist, liegt lediglich nicht in der dargestellten Zeichenebene. Dies geht insbesondere aus Fig. 3 hervor, wo die Schnittlinie II-II eingezeichnet ist, die den Schittverlauf aus Fig. 2 darstellt.

Das dargestellte Herstellungsverfahren mit Ätzen und Bor-Diffusion ist lediglich ein Beispiel. In einer an­ deren Ausgestaltung können sowohl Oberschicht als auch Unterschied aus Silizium hergestellt sein. Auch ist es möglich, eine Dünnfilmtechnik auf einem Substrat aus Silizium oder einem ähnlichen Material zu verwenden. Die Oberschicht 10 kann auch durch Stanzen, Prägen oder Bohren eines Metalls, beispielsweise rostfreien Stahls, oder eines Kunststoffs gebildet werden, auf das als Zwischenschicht ein anderes Material aufgedampft wird, beispielsweise Aluminium. Auf die Zwischenschicht kann dann ein Glassubstrat gebondet werden, woraufhin die Zwischenschicht wieder selektiv geätzt werden kann.

Es ist auch möglich, bereits vor dem Aufbringen der Unterschicht 12 in Fig. 2d die Zwischenschicht zu be­ arbeiten, beispielsweise die Zwischenschicht in den zweiten und dritten Bereichen B, C und in Bereichen der Öffnungen 13 zu entfernen. Dies beschleunigt die in den Fig. 2e und 2f dargestellten Verfahrensschritte, weil hier dann nicht mehr so viel Material entfernt werden muß.

Fig. 3 zeigt eine Perspektivzeichnung eines Filters mit einem Aufbau, der dem in Fig. 2f entspricht. Hierbei sind die die Kanäle 15 bildenden Teile der Oberschicht 10 lediglich im Bereich A mit der Unterschicht 12 ver­ bunden. Falls jedoch Bedarf hierfür besteht, kann die Verbindung auch an weiteren Stellen erfolgen. An diesen Stellen ist dann kein Filterspalt 14 vorgesehen.

Wie auch aus Fig. 3 ersichtlich ist, münden alle drei Kanäle 15 in eine Sammelkammer 23, die im Substrat 16 vorgesehen ist. Eine ähnliche Sammelkammer kann auch am anderen Ende der Kanäle vorgesehen sein.

In der Sammelkammer 23 ist ein Leitfähigkeitsmesser 46 integriert. Dieser weist zwei Elektroden 40, 41 mit Anschlußkontakten 47, 48 auf. Die Elektroden bestehen jeweils aus einer Hauptleitung 44, 45. Von jeder Haupt­ leitung ragen Zinken 42 vor, zwischen denen Lücken 43 ausgebildet sind. Die Zinken 42 der einen Elektrode 41 ragen die Lücken 43 der anderen Elektrode 40. Wenn zwi­ schen den beiden Anschlußkontakten 47, 48 eine elektri­ sche Spannung angelegt wird, fließt ein Strom, der von der Leitfähigkeit des zu untersuchenden Mediums abhän­ gig ist. Hierdurch läßt sich die Leitfähigkeit des Me­ diums ermitteln. Die Steuerung des Mediums, beispiels­ weise des Akzeptor-Mediums durch den Filter kann bei­ spielsweise in Abhängigkeit von der elektrischen Leit­ fähigkeit erfolgen. Da das Totvolumen der Sammelkammer 23 relativ klein ist, erreicht man eine sehr schnelle Reaktion auf Leitfähigkeitsänderungen. Andererseits steht genügend Raum zur Verfügung, um genügend Medium unterzubringen. Hierdurch wird eine relativ problemlose Messung der Leitfähigkeit ermöglicht.

Der Leitfähigkeitsmesser 46 ist in Dünnfilmtechnik aus­ geführt. Er ist auf die Unterschicht 12 aufgebracht. Er kann aber auch auf die Oberschicht 10 aufgebracht wer­ den. Der Dünnfilm kann beispielsweise auf die Unter­ schicht 12 aufgedampft werden.

Das zu filternde Fluid kann nun von oben in die zwi­ schen den Wänden 21, 22 gebildete Ausnehmung in die Öffnungen 13 eingespeist werden. Von dort kann es durch die Filterspalte 14 in die Kanäle 15 eintreten und schließlich in die Sammelkammer 23 gelangen, von wo es mit einem in Fig. 3 nicht dargestellten Abfluß wieder entfernt werden kann.

Es ist jedoch auch möglich, ein derartiges Filter als Dialysefilter zu verwenden. Eine derartige Ausführungs­ form ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Hier sind die Öffnungen 13 durch eine Schutzschicht 24 abgedeckt, die die Öffnungen 13 zumindest in einem Teilbereich freiläßt, nämlich bei einer Speiseöffnung 25 und bei einer Entnahmeöffnung 26. Durch die Speiseöffnung 25 und die Entnahmeöffnung 26 läßt sich eine durch Pfeile 27 dargestellte Strömung eines Spendermediums einrich­ ten. Dieses Spendermedium fließt durch die länglich ausgebildeten Offnungen 13 an der durch die Oberschicht 10 gebildeten Außenseite der Kanäle 15 vorbei.

Die Sammelkammer 23 ist mit einem Zufluß 28 verbunden. Eine weitere Sammelkammer 29 am anderen Ende der Kanäle 15 ist mit einem Abfluß 30 verbunden. Es läßt sich hierdurch eine durch Pfeile 31 dargestellte Strömung eines Akzeptor-Mediums durch die Kanäle 15 erzeugen. Das Spender-Medium und das Akzeptor-Medium strömen nun parallel zueinander, wobei sie durch die Oberschicht 10 getrennt sind. Ein Übergang von einem Medium in das andere Medium ist nur durch den Filterspalt 14 möglich. Somit können lediglich Teile einer gewünschten Maximal­ größe vom Spender-Medium in das Akzeptor-Medium über­ treten. Wenn man beispielsweise als Akzeptor-Medium sauberes Wasser verwendet, kann man an der Ausgangssei­ te dieses Wasser daraufhin untersuchen, welche Schmutz­ teilchen oder welche Elementarteilchen vom Spender-Me­ dium durch die Filterspalte 14 übergetreten sind. Ein derartiges Dialysefilter eignet sich insbesondere zur Untersuchung von Abwasser. Wenn die Filterspalte 14 ausreichend klein gewählt werden, läßt sich ein derar­ tiges Dialysefilter auch zur Untersuchung der Ionen- Belastung des Abwassers verwenden, indem nach dem Durchströmen des Filters das Akzeptor-Medium auf eben diese Ionen untersucht wird.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform strömt das zu untersuchende Medium, das Spender-Medium, an den Filterspalten 14 vorbei. Dies kann jedoch unzweckmäßig sein bei Spender-Medien, die mit einer Schmutzfracht belastet sind, weil die Strömung dann zu einer Verstop­ fung der Filterspalte 14 führen kann.

In Fig. 5 ist deswegen eine andere Ausführungsform dar­ gestellt, bei der das Filter direkt in das Spender-Me­ dium getaucht werden kann. Da in dieser Ausführungsform keine Strömung des Spender-Mediums an den Filterspalten 14 vorbei erfolgt, ist es erforderlich, die Filterspal­ te 14 mit einer ausreichenden Länge vorzusehen, um ei­ nen ausreichenden Übertritt der gewünschten Teilchen oder Partikel in das Akzeptor-Medium zu gewährleisten. Da bei einer derartigen großen Filterspaltlänge aber die Gefahr besteht, daß das Akzeptor-Medium auch in das Spender-Medium überwechselt, was einen gewissen Verlust ergibt, ist es erforderlich, daß das Akzeptor-Medium mit einem sehr geringen Druck durch das Filter trans­ portiert werden kann. Dies wird mit einer großen Anzahl von kurzen Kanälen, die zueinander parallel geschaltet sind, realisiert. Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf ein derartiges Filter 31. Mit schwarzen Strichen, die im wesentlichen parallel angeordnet sind, sind die Öffnun­ gen 13 in der Oberschicht 10 angedeutet. Schematisch sind außerdem acht Zuflußöffnungen 28 und drei Abfluß­ öffnungen 30 für das Akzeptor-Medium dargestellt. Pfei­ le 32 geben die Strömung des Akzeptor-Mediums an.

Zwischen den Öffnungen 13 sind die nicht sichtbaren, weil durch die Oberschicht 10 verdeckten Kanäle ange­ ordnet, durch die das Akzeptor-Medium fließt. Zwischen den Kanälen und den Öffnungen 13 sind die erwähnten Filterspalte angeordnet. Die Kanäle sind gruppenweise angeordnet, wobei die Kanäle einer jeden Gruppe 33 par­ allel zueinander sind. Benachbarte Gruppen sind so an­ geordnet, daß die jeweiligen Enden der Kanäle zueinan­ der weisen. Die Zuflußöffnungen 28 münden in einen Ein­ strömbereich 34. Die Abflußöffnungen 30 stehen mit ei­ nem Ausströmbereich 35 in Verbindung. Die einander zu­ gewandten Enden der Kanäle 15 von benachbarten Gruppen 33 schließen zwischen sich entweder nur einen Einström­ bereich 34 oder nur einen Ausströmbereich 35 ein. Mit anderen Worten: Die Kanäle von zwei benachbarten Grup­ pen sind in Strömungsrichtung parallel zueinander ge­ schaltet. Zwei benachbarte Gruppen schließen miteinan­ der einen Winkel ein, wobei im Spitzenbereich 36 eine Trennung zwischen Einströmbereich 34 und Ausströmbe­ reich 35 vorgesehen ist. Das Akzeptor-Medium muß also in jedem Fall durch die Gruppen 33 der Kanäle strömen, um vom Zufluß 28 zum Abfluß 30 zu gelangen.

Die einzelnen Gruppen 33 sind abwechselnd wechselseitig geneigt, so daß sie nach Art eines Mäanders 37, d. h. etwa in Form einer Zick-Zack-Kurve, zusammenhängen. Mehrere dieser Mäander 37 sind parallel zueinander an­ geordnet, so daß sich eine große Anzahl von parallel geschalteten Kanälen 15 ergibt. Im dargestellten Aus­ führungsbeispiel sind dies etwa 1500. Das in Fig. 5 dargestellte Dialysefilter hat eine Grundfläche von etwa 1 cm².

Das Filter ist weiterhin mit zwei Elektroden 38, 39 versehen, an die eine elektrische Spannung angelegt werden kann, um einen Strom durch das Filter hindurch zu treiben. Dieser Strom führt zu einer Erwärmung des Filters. Beispielsweise kann bei einer Spannung von 6 V und einem Strom von 0,3 A eine Erwärmung des Filters in Luft auf Werte von etwa 100°C erreicht werden. Dies ist insbesondere dann von großem Wert, wenn das Filter in einer bakterienbelasteten Umgebung verwendet wird und deswegen gelegentlich zu reinigen ist.

Fig. 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 5. Hierbei sind die Öffnungen 13 durch eine Schraffur von links unten nach rechts oben gekennzeichnet, während die Oberschicht 10 durch eine Schraffur von links oben nach rechts unten gekennzeichnet ist. Ohne Markierung, d. h. weiß, sind die Flächen belassen, die den ersten Bereichen A entsprechen. An diesen Stellen ist die Oberschicht 10 über die Zwischenschicht 11 mit der Un­ terschicht 12 verbunden. Es ist ersichtlich, daß die Oberschicht zuverlässig und mit einer ausreichenden Anzahl von Stützstellen auf der Unterschicht befestigt werden kann. Unterhalb der schmalen Stege, die zwischen zwei Öffnungen 13 angeordnet sind, befinden sich der Filterspalt 14 und der Kanal 15, wobei das Breitenver­ hältnis etwa so ausgebildet sein kann, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Für die einzelnen Schichten können verschiedene Mate­ rialien bzw. Materialkombinationen verwendet werden. So kann die Oberschicht 10 z. B. aus Silizium, dotiertem Silizium oder Bor-dotiertem Silizium bestehen. Die Zwi­ schenschicht 11 kann aus Quartz gebildet sein. Dann ist sie vorteilhafterweise mit einer Unterschicht 12 aus Silizium oder Glas kombiniert. Die Zwischenschicht 11 kann auch aus Metall, beispielsweise Aluminium, gebil­ det sein, wobei sie mit einer Oberschicht 10 aus Sili­ zium und einer Unterschicht 12 aus Glas kombiniert sein kann.

Ein derartiges Filter ist auch besonders für chemische Analysen geeignet, beispielsweise für eine Gasanalyse.

Claims (31)

1. Mikromechanisches Filter mit einer mit Öffnungen versehenen Oberschicht, einer Unterschicht und ei­ ner in vorbestimmten ersten Bereichen zwischen Oberschicht und Unterschicht vorgesehenen Zwischen­ schicht, die den Abstand zwischen Oberschicht und Unterschicht in vorbestimmten zwischenschichtfreien zweiten Bereichen im wesentlichen bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß dritte Bereiche (C) vorgesehen sind, in denen der Abstand zwischen Oberschicht (10) und Unterschicht (12) größer als in den ersten (A) und zweiten Bereichen (B) ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem dritten Bereich (C) und einer Öff­ nung (13) ein zweiter Bereich (B) vorgesehen ist.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fläche der dritten Bereiche (C) wesentlich größer als die der zweiten Bereiche (B) ist.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Bereiche (C) Kanäle (15) bilden.

5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Kanälen (15) parallel geschaltet sind.

6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Bereiche (C) mit mindestens einem Zufluß (28) und mindestens einem Abfluß (30) in Verbindung stehen.

7. Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß (28) und/oder der Abfluß (30) in eine Sammelkammer (23, 29) münden.

8. Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (13) eine größere Länge als Breite aufweisen und ihre Breite im we­ sentlichen der Breite der Kanäle (15) entspricht, wobei ein Übergang von einer Öffnung (13) in einen Kanal (15) im wesentlichen an deren Längsseiten er­ folgt.

9. Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (15) gruppenweise im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, wobei benachbarte Gruppen (33) derart angeordnet sind, daß die Enden der jeweiligen Kanäle zueinan­ der weisen und nur ein Ausströmbereich (35) oder nur ein Einströmbereich (34) zwischen zwei benach­ barten Gruppen (33) gebildet ist.

10. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei benachbarte Gruppen zusammen einen Winkel ein­ schließen, wobei im Spitzenbereich (36) des Winkels eine Trennung zwischen Einström- und Ausströmbe­ reich (34, 35) vorgesehen ist.

11. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Gruppen (33) nach Art eines Mäanders (37) angeordnet ist, der den Einströmbe­ reich (34) vom Ausströmbereich (35) trennt.

12. Filter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Mäandern (37) vorgesehen ist, wobei zwischen benachbarten Mäandern (37) entweder nur ein Einströmbereich (34) oder nur ein Ausström­ bereich (35) vorgesehen ist.

13. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschicht (12) aus Boro­ silikat-Glas gebildet ist.

14. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter auf der die Öffnun­ gen (13) aufweisenden Seite von einer Schutzschicht (24) überdeckt sind, die mindestens einen Teilbe­ reich der Öffnungen freiläßt.

15. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberschicht (10) beim Über­ gang von einem ersten (A) oder einem zweiten Be­ reich (B) zu einem dritten Bereich (C) in Bezug zur Unterschicht (12) geneigt ist.

16. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine insbesondere durch zwei Elektroden (38, 39) gebildete Heizeinrichtung vor­ gesehen ist.

17. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberschicht (10) aus Sili­ zium, dotiertem Silizium oder Bor-dotiertem Silizi­ um gebildet ist.

18. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Quartz gebildet ist, wobei die Unterschicht (12) aus Sili­ zium oder Glas gebildet ist.

19. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11) aus Metall, insbesondere Aluminium, besteht, während die Oberschicht (10) aus Silizium und die Unter­ schicht (12) aus Glas gebildet ist.

20. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekenn­ zeichnet durch einen integrierten Leitfähigkeits­ messer (46), der insbesondere in der Sammelkammer (23, 29) angeordnet ist.

21. Filter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitfähigkeitsmesser (46) durch einen auf die Unterschicht (12) oder Oberschicht (10) aufge­ brachten Dünnfilm gebildet, in dem paarweise Elek­ troden (40, 41) ausgebildet sind.

22. Filter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (40, 41) jeweils aus einer Hauptleitung (44, 45) vorstehenden Zinken (42) auf­ weisen, wobei die Zinken (42) einer Elektrode (41) in die Lücken (43) der anderen Elektrode (40) hin­ einragen.

23. Verwendung eines Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 22 für die chemische Analyse.

24. Verwendung eines Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 23 für die Gasanalyse.

25. Verfahren zum Herstellen eines Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem die Oberschicht und die Unterschicht über die Zwischenschicht zusammen­ gefügt werden, wobei durch Entfernen von Teilen der Zwischenschicht erste und zweite Bereiche gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zusam­ menfügen der Oberschicht (10) mit der Unterschicht (12) dritte Bereiche in der Oberschicht (10) ausge­ bildet werden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschicht (12) mit der Zwischenschicht (11) durch Bonden verbunden wird.

27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zu entfernenden Teile der Zwischenschicht (11) vor dem Zusammenfügen mit der Unterschicht (12) entfernt werden.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, da­ durch gekennzeichnet, daß die dritten Bereiche (C) aus einem Substrat (16) herausgeätzt werden, die entstandenen Ausnehmungen (19) mit der Oberschicht (10) ausgekleidet werden und später das Substrat (16) entfernt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Entfernen des Substrats (16) die Zwi­ schenschicht (11) aufgebracht wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberschicht (10) durch mechanisch, insbesondere durch Stanzen, Prä­ gen oder Bohren, bearbeitetes Metall oder Kunst­ stoff geringer Stärke gebildet wird.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11) aufgedampft wird und insbesondere aus Aluminium gebildet wird.