DE4220077A1 - Mikropumpe - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Mikropumpe nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus einer Veröffentlichung von Zengerle, MEMS 1992, Travemünde, IEEE-Katalog Nr. 92CH3093-2, Seiten 19 bis 24, ist bereits eine Mikropumpe mit einer Arbeitskammer und einem Ein­ laß- und Auslaßventil bekannt, die aus Siliziumwafern heraus­ strukturiert sind. Durch eine elektrostatisch verursachte Änderung des Volumens der Arbeitskammer wird die Pumpwirkung erzielt. Dieses Ventil ist besonders für Flüssigkeiten geeignet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Mikropumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß mit dem verwendeten Pump­ prinzip Gase besonders effektiv gepumpt werden können. Die Mikro­ pumpe ist von geringer Baugröße und zur Erzeugung von Drucken von einigen hundert Millibar geeignet. Weiterhin ist die relativ geringe Leistungsaufnahme und die relativ schnelle Zeitkonstante der er­ findungsgemäßen Mikropumpe als Vorteil anzusehen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Mikropumpe möglich. Besonders einfach wird das Heiz­ element als ohmscher Widerstand ausgeführt. Durch das Aufbringen des Heizelementes auf einen Träger mit geringer Wärmekapazität und Wärmeleitung wird die Verlustleistung verringert und die Reaktions­ geschwindigkeit der Mikropumpe verbessert. Dabei kann der Träger aus einem Material mit geringem thermischem Leitvermögen bestehen oder die Wärmekapazität und Wärmeleitung des Trägers wird durch die Aus­ bildung des Trägers als dünne Membran verringert. Durch die Stabili­ sierung des Trägers durch eine Stütze wird die mechanische Stabili­ tät der Mikropumpe erhöht, insbesondere wird dadurch eine druck­ bedingte Volumenänderung der Arbeitskammer unterdrückt. Durch Herausstrukturierung der Stützstrukturen aus Silizium lassen sich diese Stützstrukturen ohne nennenswerten Mehraufwand erzeugen. Bei einem impulsförmigen Heizbetrieb kann die Fördermenge vorteilhaft sowohl über die Temperatur wie auch über den zeitlichen Abstand zwischen den Heizimpulsen gesteuert werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine erfindungsgemäße Mikropumpe, Fig. 2 ein geschlossenes Auslaßventil, Fig. 3 ein geöffnetes Auslaßventil und Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikropumpe.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 sind mit 4 und 5 zwei Siliziumplatten bezeichnet. Aus den beiden Siliziumplatten 4, 5 ist ein Einlaßventil 2 und ein Auslaßventil 3 herausstrukturiert, die in zwei durch eine Wand 20 getrennte Volumina 21 und 22 münden. Durch eine Ausnehmung in der Siliziumplatte 4 ist die Arbeitskammer 1 geschaffen. Die Arbeits­ kammer 1 wird auf ihrer Oberseite von dem plattenförmigen Träger 7 des Heizelementes 6 verschlossen.

Das Einlaßventil 2 ist derart ausgestaltet, daß es sich öffnet, wenn der Druck in der Arbeitskammer geringer ist als auf der Außenseite. Das Auslaßventil 3 ist derart ausgestaltet, daß es sich öffnet, wenn der Druck in der Arbeitskammer 1 größer ist als auf der Außenseite. Beide Ventile sind derart ausgestaltet, daß bereits geringe Druck­ differenzen ausreichen, um die Ventile zu öffnen. Durch das Heiz­ element 6 kann die Luft in der Arbeitskammer 1 beheizt werden. Das Heizelement 6 kann beispielsweise aus aufgebrachten metallischen Schichten bestehen, die durch einen durch sie hindurchfließenden Strom erwärmt werden. In der Fig. 1 ist ein Querschnitt durch solche metallischen Leiterbahnen gezeigt, die mäanderförmig oder als Spirale auf dem Träger 7 aufgebracht sind. Durch das Heizelement 6 soll das in der Arbeitskammer 1 eingeschlossene Gas erwärmt werden. Die Heizwirkung des Heizelementes 6 wird umso besser, je weniger Wärme durch den Träger 7 oder die Siliziumplatten 4, 5 verlorengeht. Der Träger 7 besteht daher beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 aus einem Glas mit besonders geringem Wärmeleitvermögen. Ein solches Glas ist beispielsweise unter dem Handelsnamen Pyrex der Firma Corning Glass bekannt.

Die hier gezeigte Mikropumpe arbeitet aufgrund der Wärmeausdehnung von Gasen. Im ersten Schritt eines Pumpzyklusses befindet sich die Mikropumpe in dem Zustand, der in der Fig. 1 gezeigt wird. Beide Ventile sind geschlossen und das Gas in der Arbeitskammer 1 weist im wesentlichen die gleiche Temperatur wie das Gas außerhalb der Arbeitskammer 1 auf. Durch einen Strom wird dann das Heizelement 6 beheizt und so das Gas in der Arbeitskammer 1 erwärmt. Ausgehend von der idealen Gasgleichung, die hier in erster Näherung gilt, ist das Produkt von Druck x Volumen in der Arbeitskammer 1 im Verhältnis zur Temperatur des Gases in der Arbeitskammer 1 konstant. Da sich das Volumen der Arbeitskammer 1 nicht verändert, wird somit durch die Erwärmung des Gases in der Arbeitskammer 1 eine Druckerhöhung in der Arbeitskammer 1 verursacht. Durch diese Druckerhöhung wird das Aus­ laßventil 3 geöffnet und ein Teil des Gases in der Arbeitskammer 1 wird aus der Arbeitskammer 1 in das Volumen 22 herausgedrückt. Wenn dann ein Gleichgewicht zwischen Druck und Temperatur erreicht ist, schließt sich das Auslaßventil 3. Im nächsten Zyklusschritt wird dann die Heizung des Heizelementes 6 ausgeschaltet, was dann mit einer Abkühlung des in der Arbeitskammer 1 vorhandenen Gases ver­ bunden ist. Mit dieser Abkühlung des Gases ist eine Druckver­ ringerung in der Arbeitskammer 1 verbunden. Durch den verringerten Druck in der Arbeitskammer 1 wird das Einlaßventil 2 geöffnet und es strömt so lange Gas aus dem Volumen 21 zu, bis die dieser Druck­ unterschied ausgeglichen ist und sich das Einlaßventil 2 wieder schließt. Die Mikropumpe befindet sich dann wieder um Zustand wie in Fig. 1 gezeigt, und ein neuer Pumpzyklus kann beginnen. Durch die Mikropumpe wird somit ein Gas vom Volumen 21 in das Volumen 22 ge­ pumpt. Durch entsprechende Zuleitungen zu den Volumina 21, 22 kann die Mikropumpe beliebig zum Pumpen von Gasen verwendet werden.

Zur Herstellung der Ventile werden die Siliziumplatten 4, 5 von beiden Seite durch Ätzprozesse bearbeitet. Durch Ätzung ausgehend von der einen Seite der Siliziumplatten 4, 5 werden dünne Membranen hergestellt. Durch Unterteilung dieser dünnen Membranen durch einen Ätzprozeß von der anderen Seite werden bei der Siliziumplatte 4 die Einlaßöffnung des Einlaßventiles 2 und die Ventilklappe 11 des Aus­ laßventiles 3 strukturiert. In gleicher Weise werden aus der Siliziumplatte 4 die Ventilklappe 11 für das Einlaßventil 2, die Ausnehmung für die Arbeitskammer 1 und die Öffnung für das Auslaßventil 3 herausstrukturiert. Die beiden Siliziumplatten 4, 5 und der Träger 7 sind so miteinander verbunden, daß die gasdicht verschlossene Arbeitskammer 1 entsteht. Verbindungsmethoden für die Verbindung der Siliziumplatten 4, 5 und dem Träger 7 und Methoden, wie eine elektrischer Kontakt zu den Heizelementen 6 hergestellt werden kann, finden sich beispielsweise in der EP-A1-369 352.

In der Fig. 2 und der Fig. 3 wird als Vergrößerung aus der Fig. 1 das Auslaßventil 3 gezeigt. Dieses Auslaßventil 3 ist aus den Siliziumplatten 4, 5 herausstrukturiert. Die Siliziumplatten 4, 5 weisen dazu jeweils eine Öffnung auf. Diese Öffnung ist jedoch in der Fig. 2 durch die Ventilklappe 11 verschlossen. In der Fig. 2 ist das Auslaßventil in dem Zustand gezeigt, bei dem der Druck in der Arbeitskammer kleiner oder gleich ist wie der Außendruck. In diesem Fall ist die Ventilklappe 11 geschlossen. In der Fig. 3 ist das Auslaßventil 3 in einem Zustand gezeigt, bei dem in der Arbeits­ kammer 1 ein höherer Druck herrscht als außerhalb der Mikropumpe. In diesem Fall ist das Auslaßventil 3 geöffnet, d. h. die Ventilklappe 11 ist derart verbogen, daß Luft aus der Arbeitskammer 1 heraus­ strömen kann. Die Funktion des Einlaßventiles 2 ist entsprechend.

In der Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel für die er­ findungsgemäße Mikropumpe gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel weist wieder ein Einlaßventil 2, ein Auslaßventil 3 und eine Arbeitskammer 1 auf, die aus Siliziumplatten 4, 5 herausstrukturiert sind. Die Arbeitskammer 1 ist auf ihrer Oberseite durch einen Träger 7 ver­ schlossen, wobei auf dem Träger 7 ein Heizelement 6 angeordnet ist. Im Unterschied zur Fig. 1 ist jedoch der Träger 7 im Bereich des Heizelementes 6 in seiner Dicke verringert. Durch diese Verringerung der Dicke des Träger 7 wird die Wärmeleitfähigkeit und die Wärme­ kapazität des Träger 7 verringert. Durch diese Ausgestaltung des Träger 7 wird somit die Heizbarkeit des Heiz­ elementes 6 verbessert. Es wird so erreicht, daß das Heizelement 6 mit geringerer elektrischer Leistung dieselbe Temperatur erreicht wie das Heizelement nach der Fig. 1. Weiterhin wir durch diese Maß­ nahme die Zeit, die zum Aufheizen des Heizelementes 6 benotigt wird, verringert und infolgedessen ebenfalls die Aufheizung des Gases in der Arbeitskammer 1 beschleunigt. Gegenüber der Mikropumpe nach dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 weist die hier gezeigte Mikropumpe eine geringere Leistungsaufnahme und eine schnellere Reaktion auf. Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß die Membran 8, auf der das Heizelement 6 angeordnet ist, durch den in der Arbeitskammer 1 ver­ ursachten Druckunterschied nicht bzw. nur geringfügig verformt wird. Durch eine zu große Verformung der Membran 8 würde sonst die Pump­ leistung wieder verringert werden. Die Membran 8 muß somit genügend dick ausgebildet sein. Weiterhin kann die Membran 8 durch Stützen 9 stabilisiert werden. Die Stützen 9 können, wie hier exemplarisch an einer Stütze 9 gezeigt ist, aus der Siliziumplatte 4 heraus­ strukturiert sein. Dies hat den Vorteil, daß die Herstellung der Stütze 9 mit keinen zusätzlichen Verfahrensschritten verbunden ist. In der Fig. 4 ist hier ein Schnitt durch die Mikropumpe gezeigt, wobei hier ein Querschnitt durch die Stütze 9 gezeigt ist. Die in der Fig. 4 rechts und links von der Stütze 9 gelegenen Bereiche der Arbeitskammer 1 sind jedoch miteinander verbunden, so daß ein Gas ungehindert von dem Einlaßventil 2 zum Auslaßventil 3 strömen kann. Die Pumpleistung, d. h. der durch die Mikropumpe erzeugte Durchfluß kann auf verschiedene Arten gesteuert werden. Dies kann zum einen dadurch geschehen, daß die Temperatur des Heizelementes 6 gesteuert wird. Bei jedem Pumpzyklus hängt die Menge der gepumpten Luft von der Temperatur des Heizelementes 6 ab. Durch eine Erhöhung der Temperatur des Heizelementes 6 wird die Pumpleistung erhöht. Eine andere Möglichkeit der Steuerung des Durchflusses durch die Mikro­ pumpe besteht in einer Veränderung der zeitlichen Abstände der einzelnen Pumpzyklen. Durch eine Verkürzung der Zeit zwischen den einzelnen Pumpzyklen kann ebenfalls eine Steuerung der Pumpleistung erfolgen.

Claims (10)

1. Mikropumpe, die mindestens eine Arbeitskammer (1) aufweist, mit mindestens einem Einlaßventil (2) und einem Auslaßventil (3), wobei die Ventile (2, 3) aus Siliziumplatten (4, 5) herausstrukturiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Pumpe Gas gepumpt wird, daß in der Arbeitskammer (1) ein Heizelement (6) angeordnet ist und daß das Gas in der Arbeitskammer (1) durch das Heizelement (6) er­ wärmbar ist.

2. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heiz­ element (6) als ohmscher Widerstand ausgebildet ist.

3. Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heiz­ element (6) auf einem Träger (7) mit geringer Wärmekapazität und Wärmeleitung aufgebracht ist.

4. Mikropumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) aus einem Material mit geringem thermischem Leitvermögen besteht.

5. Mikropumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) im Bereich des Heizelements als Membran (8) ausgebildet ist.

6. Mikropumpe nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) durch mindestens eine Stütze (9) stabilisiert wird.

7. Mikropumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze (9) aus Silizium besteht.

8. Mikropumpe nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) impulsförmig beheizt wird.

9. Mikropumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß durch die Temperatur des Heizelements (6) gesteuert wird.

10. Mikropumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß durch den zeitlichen Abstand zwischen den Heizimpulsen gesteuert wird.