DE4222660A1 - Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils gemäß dem ersten Patentanspruch.

Ein Mikroventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung ist aus der DE-C 39 17 423 bekannt. Die Hauptkomponenten dieses Mikroventils sind zwei plattenförmige Ventilelemente, die zu­ einander komplementär sind. Beide Ventilelemente enthalten eine Vielzahl von Ventilsitzen bzw. hierzu korrespondierenden Schließkörpern, die ineinandergreifen. Die Herstellung dieser Ventilelemente erfolgt in einem fünfstufigen Verfahren. Im er­ sten Schritt wird ein plattenförmiger Körper durch anisotropes Ätzen oder durch photolithographische Methoden oder durch Kunststoffabformung strukturiert. Danach wird das auf diese Weise erhaltene Ventilelement mit einer Trennschicht versehen und in der darauffolgenden (dritten) Stufe z. B. durch Kunst­ stoff-Spritzguß abgeformt. Nach der Entfernung der Trenn­ schicht (vierte Stufe) wird die Rückseite des bei der Abfor­ mung entstandenen Formkörpers mechanisch bearbeitet.

Das mit diesen beiden Ventilelementen hergestellte Mikroventil ist in ein zylindrisches Gehäuse mit axial angebrachten An­ schlußstutzen eingebaut, dessen Deckel abnehmbar ist. Der Ven­ tilantrieb besteht aus einem zu den Anschlußstutzen koaxialen zylindrischen gehäusefesten Teil, das mit einem Flansch auf den Boden des Gehäuses abgestützt ist, einem weiteren zylin­ drischen, zu den Anschlußstutzen koaxialen beweglichen Teil mit einem weiteren Flansch, der über eine Tellerfeder am Deckel abgestützt ist, sowie Mitteln zum axialen Antrieb des beweglichen zylindrischen Teils, wobei die Ventilelemente an den einander zugewandten Enden der beiden zylindrischen Teile angebracht sind.

Die Mittel zum axialen Antrieb sind z. B. eine Vielzahl von Ringen aus piezoelektrischem Material oder ein rohrförmiges magnetostriktives Element.

Aus der DE-A 39 17 396 ist ein weiteres Mikroventil bekannt, das einen Stapel aus mindestens 2 Ventilplatten aufweist, die mit gestreckten Ventilöffnungen versehen sind. Die Ventilplat­ ten lassen sich durch Verschieben relativ zueinander mit Hilfe eines elektrostatischen Antriebs in eine Öffnungsposition, in der die Ventilöffnungen miteinander fluchten, sowie in eine Schließstellung, in der die Ventilöffnungen abgedeckt sind, bringen. Die Herstellung der Ventilplatten und der Aufbau des kompletten Mikroventils mit den in ein Gehäuse eingesetzten Ventilplatten geschieht in ähnlicher Weise wie bei der oben zitierten Patentschrift.

Bei den bekannten Mikroventilen müssen kleine Einzelteile mit Hilfe von Federn in einem Gehäuse montiert werden. Deshalb sind die bekannten Verfahren zur Herstellung von Mikroventilen eher zur Einzelfertigung von speziellen Mikroventilen und weniger für die serienmäßige Produktion geeignet.

Aus einem Vortrag von U. Wallrabe, P. Bley, B. Krevet, W. Menz und J. Mohr mit dem Titel "Theoretical and Experimental Re­ sults of an Electrostatic Micro Motor with Large Gear Ratio Fabricated by the LIGA Process" während des Fifth Internatio­ nal Workshops on Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS ′92) vom 4. bis 7. Februar 1992 in Travemünde (schriftliche Veröf­ fentlichung in den Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Travemünde, Deutschland 1992, IEEE Catalog Nr. 92CH3092-2, pp. 139-140) ist ein Mikromotor bekannt, der aus einem drehbaren zylinderförmigen Rotor mit einer Vielzahl von Kondensatorplatten auf seiner äußeren Zylindermantelfläche, einer feststehenden Rotorachse und sechs feststehenden Stator­ elementen, die sternförmig um den Rotor angeordnet sind, be­ kannt. Als Herstellungsverfahren ist der LIGA (Röntgentiefen­ lithographie und galvanische Abformung) - Prozeß angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe der be­ kannten Verfahren der Photolithographie einschließlich der Röntgentiefenlithographie, der Dünnschichttechnologie, der Kunststoff- und galvanischen Abformung und der Ätztechnik ein Mikroventil herzustellen, bei dem der Montageaufwand auf ein Mindestmaß begrenzt ist.

Die Aufgabe wird durch das im ersten Patentanspruch beschrie­ bene Verfahren gelöst. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Pa­ tentansprüchen gekennzeichnet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Mikroventil her­ gestellt, bei dem auf einem Substrat ein Gehäuse mit Zylinder­ förmigem Innenraum und eine feststehende Rotorachse aufgebaut sind. Um die Rotorachse ist ein drehbarer Rotor angeordnet. Das Gehäuse ist mit einer Deckplatte verschlossen. Substrat und Deckplatte weisen mindestens eine Öffnung zum Innenraum des Gehäuses auf. Der Rotor enthält mindestens einen Kanal, der zur Rotorachse parallel verläuft. Die Öffnungen im Sub­ strat, vorzugsweise auch die Öffnungen in der Deckplatte sind so angeordnet, daß sie in mindestens einer Stellung des Rotors mit dem oder den Kanälen fluchten.

In der einfachsten Ausführungsform enthalten Substrat und Deckplatte jeweils eine Öffnung, wobei die Öffnungen vorzugs­ weise genau übereinander liegen, und der Rotor einen einzigen Kanal. Mit einer solchen Anordnung wird ein geringer Strö­ mungswiderstand in der Offenstellung des Mikroventils er­ reicht. Mit dieser Konfiguration wird ein Zweiwegeventil re­ alisiert, das für ein Medium den Weg freigibt, wenn die Öff­ nungen und der Kanal miteinander fluchten und das geschlossen ist, wenn der Rotor so weit gedreht wird, daß seine dem Sub­ strat gegenüberliegende Fläche die Öffnung im Substrat ab­ deckt.

Ein Dreiwegeventil läßt sich realisieren, wenn der Rotor einen Kanal enthält, der in zwei verschiedenen Stellungen mit je­ weils einer Öffnung im Substrat fluchtet. Das Substrat enthält in diesem Fall genau zwei Öffnungen. Die Deckplatte kann in diesem Fall eine oder - zur Verringerung des Strömungswider­ stands im zu schaltenden Medium - mehrere Öffnungen enthalten. In allen Fällen können die Öffnungen mit Anschlußstutzen ver­ sehen werden. In ähnlicher Weise lassen sich Mehrwegeventile mit einer größeren Zahl von Anschlußstutzen realisieren.

Ein Mischventil läßt sich realisieren, wenn der Rotor zwei z. B. im Winkel von 180° angeordnete Kanäle enthält, die in der geöffneten Stellung mit zwei Durchbrüchen im Substrat fluch­ ten.

Die Dichtheit des erfindungsgemäß hergestellten Mikroventils wird in der geschlossenen Stellung durch den Druck des Mediums auf den Rotor gewährleistet, wobei die Abdichtung zwischen Ro­ tor und Substrat erfolgt. Besonders bevorzugt ist ein Verfah­ ren, mit dem ein solches Mikroventil hergestellt wird, bei dem das Substrat eine gegen den Rotor und seine Achse elektrisch isolierte Metallschicht enthält und Rotor und Achse aus Metall aufgebaut sind. In diesem Fall ist es möglich, an die Metall­ schicht und den Rotor bzw. seine Achse eine Spannung anzule­ gen, mit deren Hilfe der Rotor mit auf einfache Weise ein­ stellbarer Kraft auf das Substrat gepreßt wird. Durch diese Maßnahme läßt sich die Dichtheit des Mikroventils wesentlich verbessern.

Prinzipiell läßt sich der Rotor des Mikroventils pneumatisch antreiben, sofern die Vermischung des zu steuernden Mediums mit dem Druckgas des pneumatischen Antriebs tolerierbar ist. Besonders bevorzugt ist jedoch ein solches Verfahren, durch das der Rotor zusätzlich mit Kondensatorplatten und das Ge­ häuse zusätzlich mit Statorpolpaaren versehen wird, so daß der aus der Veröffentlichung U. Wallrabe et al. bekannte Antrieb realisiert werden kann. Hierdurch läßt sich eine besonders hohe Kraft auf den Rotor übertragen.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß auf dem Substrat sowohl das Gehäuse mit dem zylindrischen Innenraum, als auch die axial im Innenraum angeordnete, auf dem Substrat feststehende Achse sowie der frei um die Achse drehbare, zylinderförmige Rotor, der mindestens einen parallel zur Achse angeordneten Kanal aufweist, mittels gemeinsamer Verfahrensschritte in integrierter Fertigung hergestellt wer­ den. Hierdurch werden - wegen der Kleinheit der Komponenten naturgemäß komplizierte - Montagearbeiten vermieden und eine Serienfertigung solcher Mikroventile ermöglicht. Zudem können wesentlich kleinere Mikroventile, z. B. in der Größe zwischen 1 und 2 mm oder darunter hergestellt werden. Der Rotor kann beim erfindungsgemäßen Verfahren einen Durchmesser von 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise von 0,1 bis 1 mm annehmen.

Die gemeinsamen Verfahrensschritte basieren auf den bekannten Methoden der Photolithographie, der Dünnschichttechnologie, der Kunststoff- und der galvanischen Abformung und der Ätz­ technik.

Beispielsweise kann ein Substrat mit einer Opferschicht, die sich selektiv auflösen läßt, überzogen werden, wonach die Opferschicht in der Weise strukturiert wird, daß sie nur an den Stellen, die an die Grundfläche des später aufzubauenden Rotors angrenzen, bestehen bleibt. Auf der so vorbereiteten Oberfläche des Substrats wird eine Schicht eines Röntgen­ resistmaterials aufgetragen, deren Dicke mindestens der Höhe des Gehäuses und der Höhe des Rotors zuzüglich der Dicke der Opferschicht entspricht. Dieses Röntgenresistmaterial wird in bekannter Weise durch Röntgentiefenlithographie (Bestrahlung mit Röntgenstrahlung über eine Maske und anschließendes Her­ auslösen der bestrahlten Bereiche) strukturiert und an­ schließend galvanisch mit einem Metall aufgefüllt, wonach sowohl der verbleibende Röntgenresist als auch die Opfer­ schicht selektiv entfernt werden. Durch geeignete Strukturie­ rung des Röntgenresistmaterials werden zugleich der oder die Kanäle im Rotor vorgesehen.

Durch Variation des kurz skizzierten Verfahrens kann das Sub­ strat mit einer elektrisch isolierten Schicht eines Metalls versehen und/oder das Gehäuse und der Rotor in der aus der Veröffentlichung U. Wallrabe et al. bekannten Weise ausgestal­ tet werden.

Abschließend wird das Gehäuse durch eine Deckplatte mit einer oder mehreren in geeigneter Weise angebrachten Öffnungen ver­ schlossen und in das Substrat an geeigneter Stelle Öffnungen angebracht.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäß hergestelltes Mikroventil ohne Deckplatte;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Zwischenstadium beim Aufbau des Mikroventils in Richtung A-A, wobei der Rotor gegenüber Fig. 1 um 90° gedreht ist;

Fig. 3 einen Querschnitt in Richtung A-A des in Fig. 1 darge­ stellten Mikroventils, wobei der Rotor gegenüber Fig. 1 um 90° gedreht ist.

In eine Grundplatte 1 (Dicke ca. 1 mm, Fläche 75·90 mm) aus einem elektrisch isolierenden Material (Keramik, Silizium o. ä.) werden in Bereichen mit einem Durchmesser von ca. 3 bis 5 mm insgesamt 100 Mikroventile hergestellt. Hierzu werden zwei Gruben 11 in jeden der Bereiche eingeätzt, aus denen im wei­ teren Verlauf des Verfahrens die Öffnungen hergestellt werden. Auf der den Gruben gegenüberliegenden Seite der Grundplatte wird durch Methoden der Dünnschichttechnologie (PVD- oder CVD- Verfahren) eine ca. 0,4 bis 0,5 µm dicke Schicht 2 eines Me­ talls aufgetragen. Das Metall muß selektiv gegen das Material der Grundplatte ätzbar sein; verwendbar ist z. B. Wolfram oder eine Schichtfolge aus Chrom und Silber, wobei die Silber­ schicht die Chromschicht überdeckt.

Auf der metallischen Schicht 2 wird eine elektrisch isolie­ rende Schicht 3 aufgebracht. Als elektrisch isolierende Schicht sind die bekannten Resistmaterialien wie Photolacke, Polyimide etc. einsetzbar. Das Auftragen der Schicht erfolgt beispielsweise durch Schleuderverfahren mit anschließender Polymerisierung oder - im Fall von Imid - durch Imidisierung des metallischen Untergrunds und anschließender Aushärtung. Anschließend wird die elektrisch isolierende Schicht 3 durch Photolithographie strukturiert und entwickelt, wonach die freigelegten Bereiche der metallischen Schicht durch Abätzen entfernt werden. Anschließend wird die elektrisch isolierende Schicht 3 erneut strukturiert und erneut entwickelt, wonach in weiteren Bereichen die metallische Schicht 2 freigelegt ist.

Alternativ hierzu kann die metallische Schicht 2 vor dem Be­ schichten mit der isolierenden Schicht z. B. durch Ionenbe­ schuß oder durch naßchemisches Ätzen strukturiert werden. Die strukturierte metallische Schicht wird mit der Schicht aus dem Resistmaterial überdeckt und das Resistmaterial durch Photo­ lithographie strukturiert.

In beiden Fällen ergibt sich das selbe Zwischenprodukt. An den Stellen 29 oberhalb der Gruben 11 und an den weiteren Stellen 26, 27 und 28 liegt das Substrat frei. An den Stellen 23, 24 und 25 ist lediglich die isolierende Schicht entfernt. An den Stellen 21 und 22 bleiben sowohl die metallische Schicht als auch die isolierende Schicht stehen.

Die strukturierten Schichten 2 und 3 werden anschließend mit einer Opferschicht 4 überdeckt. Das Material der Opferschicht 4 muß sich selektiv gegen die übrigen Materialien z. B. durch Abätzen entfernen lassen; diese Bedingung erfüllt im allgemei­ nen Titan. Die Dicke der Opferschicht liegt im Bereich von 3 bis 5 µm. Größere Dicken sollten wegen der Gefahr starker Unterätzung vermieden werden. Diese Opferschicht wird so strukturiert, daß an den Stellen 23, 24, 25 kein Titan mehr vorhanden ist.

Schließlich wird auf den strukturierten Schichten eine dicke Schicht 5 aus Polymethylmethacrylat (PMMA) aufgetragen. Die Dicke dieser Schicht beträgt etwa 100 bis 500 µm; sie bestimmt die Höhe des fertigen Mikroventils. Das PMMA wird mit den be­ kannten Methoden der Röntgentiefenlithographie in der Weise strukturiert, daß das PMMA an den Stellen 51 bis 54 stehen bleibt. An den Stellen 56 bis 59 wird das PMMA entfernt; diese Stellen werden galvanisch mit einem Metall, etwa Nickel, auf­ gefüllt. Die Stellen 57 bilden die Statorpole eines elektro­ statisch angetriebenen Läufers, die Stellen 53 den Kondensa­ torspalt zwischen Läufer und Stator, die Stellen 58 bzw. 58a und 58b den Rotor, die Stellen 59 die Achse des Rotors und die Stellen 54 das Lagerspiel zwischen Achse und Rotor. Die Stellen 58c sind die Kanäle im Rotor. Die Stellen 56 stellen das Gehäuse des Mikroventils dar, durch das das Ventil nach außen abgedichtet ist.

Schließlich wird das PMMA mit einem geeigneten Lösungsmittel wie Ethylacetat oder Tetrahydrofuran herausgelöst. Die stehen­ gebliebenen Bereiche 26, 27, 29 der Opferschicht 4 und die Substratbereiche 12 oberhalb der Gruben 11 werden entfernt, so daß man die in Fig. 2 dargestellte Anordnung erhält. Diese An­ ordnung wird nun mit Hilfe der Aufbau- und Verbindungstechnik mit einer Deckplatte 6 abgedeckt, die auf dem Ventilkörper 56 auf liegt und oberhalb des Rotors die Öffnungen 61 enthält.

Wie erwähnt ist der Rotor in einer besonders bevorzugten Aus­ führungsform von Statorpolen umgeben; sowohl die Zylinderman­ telfläche des Rotors wie auch die dem Rotor zugewandten Flä­ chen der Statorpole sind hierbei mit einer die ganze Oberflä­ che abdeckenden Rechteck-Zahnung versehen. Die Zahnung der Statorpole ist im Vergleich zu der Zahnung des Rotors peri­ odisch versetzt. Jeweils ein Rotor- und Statorpolzahn stellen einen Plattenkondensator dar. Wenn zwischen Rotor und den Sta­ torpolen eine elektrische Potentialdifferenz erzeugt wird, dreht sich der Rotor, weil durch einen tangentialen Versatz der Platten und Statorpole eine tangential am Rotor angrei­ fende Kraft erzeugt wird. Diese Kraft treibt den Rotor so lange an, bis sich die Zähne des gerade an Spannung gelegten Stators und die entsprechenden Rotorzähne frontal gegenüber­ stehen. Die Spannung wird in mindestens drei Phasen geschal­ tet. Bei drei Phasen beträgt die Schrittweite jedes Schaltpul­ ses ¹/₃ einer Periode p.

Für diese Ausführungsform müssen Leiterbahnen aus dem Ventil nach außen geführt werden.

Hierzu gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, solange nicht mit vergrabenen Leiterbahnen gearbeitet werden kann:

• 1. Wie in Fig. 3 dargestellt, bleibt die zu strukturierende Iso­ lationsschicht 3 über der Leiterbahn an der Stelle des Ven­ tilsitzes erhalten, so daß diese abgedeckt ist. Im Gegen­ satz zu den Stellen am Rotor wird die Opferschicht ent­ fernt. Bei der Galvanik wird die offenliegende Isolations­ schicht von den offenen Metalloberflächen des Ventilsitzes her überwachsen, obwohl diese Schicht isolierend ist. Man erhält auf diese Art und Weise einen metallischen Ventil­ sitz mit isoliert nach außen geführten Leiterbahnen. Die Bond-Pads sind außen nach Entfernen des formgebenden PMMAs frei zugänglich.
• 2. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Ventilsitz bei der ersten Strukturierung nicht zu strukturieren, so daß in diesem Bereich das PMMA vollständig erhalten bleibt, d. h. die Strukturierung von 5 entfällt. Es werden nur der Be­ reich innerhalb der Strukturen 57a-c einschließlich strukturiert. Der Ventilsitz 5 wird nach Fertigstellung der Galvanik durch einen zweiten, justiert zu Mikrostruktur er­ folgenden Strukturierungsschritt erzeugt, in dem alle Be­ reiche mit Ausnahme von 5 belichtet und weggelöst werden. Man erhält auf diese Art und Weise einen Ventilsitz aus Kunststoff, unter dem die Leiterbahnen verlaufen. Auch in diesem Fall sind die Bond-Pads frei zugänglich.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils, bei dem mit den an sich bekannten Methoden der Photolithographie, der Dünnschichttechnologie, der Kunststoff- und galvanischen Abformung und der Ätztechnik mittels integrierter Fertigung auf einem Substrat durch gemeinsame Verfahrensschritte

• - ein Gehäuse mit zylindrischem, einseitig offenem Innen­ raum,
• - eine axial im Innenraum angeordnete, auf dem Substrat feststehende Achse und
• - ein im Innenraum frei um die Achse drehbarer, hohlzylin­ derförmiger Rotor, der mindestens einen parallel zur Achse verlaufenden durchgehenden Kanal aufweist, aufgebaut wird, wonach
• - das Gehäuse mit einer Deckplatte, die mindestens eine Öffnung enthält, verschlossen und
• - das Substrat mit mindestens einer Öffnung versehen wird, die so angeordnet ist, daß sie in einer besonderen Stel­ lung des Rotors mit dem durchgehenden Kanal im Rotor fluchtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor und die Achse aus einem Metall hergestellt werden und das Substrat mit einer metallischen Schicht überzogen wird, die durch eine isolierende Schicht abgedeckt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die gemeinsamen Verfahrensschritte zusätzlich mehrere Statorpole im Gehäuse und eine Vielzahl von Kondensa­ torplatten auf dem Rotor aufgebaut werden, die periodisch gegeneinander versetzt sind.