DE4223019C1 - Ventillose Mikropumpe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer ventillosen Mikropumpe.

In einem bevorzugten Anwendungsgebiet befaßt sich die vor­ liegende Erfindung mit einer Mikropumpe, die mittels photo­ lithographischer Herstellungsverfahren mit Halbleitermate­ rialien hergestellt werden kann.

Es sind bereits ventillose Fluidpumpen bekannt, die nach dem elektrohydrodynamischen Prinzip arbeiten. Bei diesen Pumpen findet nötigerweise eine Ladungsträgerinjektion in das zu pumpende Fluid statt, so daß sich derartige Pumpen nur für dielektrische Fluide eignen. Die Grundstruktur derartiger ventilloser Pumpen ist in der US-PS 3,267,860 geoffenbart.

Gleichfalls sind ventillose Membranpumpen bekannt, bei denen eine Mehrzahl von Druckkörpern auf einer Exzenterwelle um­ laufend geführt sind, die eine Membran mit einem wandernden Anlagepunkt gegen einen Pumpengegenkörper anpressen. Ein Beispiel einer derartigen ventillosen Membranpumpe ist in der DE-34 13 437 C2 gezeigt. Ventillose Membranpumpen dieses Types eignen sich nicht für eine Mikrominiaturisierung.

Aus der EP-A1-0392978 ist bereits eine mikrominiaturisier­ bare Membranpumpe bekannt, die eine äußere Membrane hat, welche durch ein Piezoelement deformierbar ist. Eine innere Pumpkammer der Mikropumpe ist durch eine Trennwand unter­ teilt, innerhalb der Ventilstrukturen angeordnet sind. Die Ventilstrukturen sind Bestandteil von Anschlägen, die die Bewegung der Membran gegenüber der Trennwand bzw. gegenüber dem restlichen Pumpenkörper zur Festlegung einer pro Pump­ zyklus konstanten Pumpmenge begrenzen.

Aus der WO90/15929 ist eine weitere Mikropumpe bekannt, die der soeben gewürdigten Mikropumpe von ihrer Struktur her weitgehend entspricht.

Die zuletzt beschriebenen Mikropumpen benötigen vor bzw. hinter einer Kammer angeordnete Ventile oder Ventilstruktu­ ren, um eine Pumpkammervolumenveränderung aufgrund einer Bewegung der Membrane in eine Fluidpumpwirkung umzusetzen.

Derartige Ventilstrukturen erweisen sich bei einem hohen Grad der Mikrominiaturisierung als schwierig in der Herstel­ lung. Ebenfalls gibt es Anwendungsfälle, bei denen das Fluid durch die Arbeitswirkung der Ventilstrukturen in Mitleiden­ schaft gezogen werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine ventillose, miniaturisierbare Pumpe zu schaffen, die sich einfach herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird durch eine ventillose Mikropumpe gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße ventillose Mikropumpe hat eine oszil­ lierende Aktorvorrichtung, die dem Fluid eine Oszillations­ bewegung aufprägt. Der von dem Fluid durchströmte Bereich der Mikropumpe umfaßt wenigstens einen spaltartigen Bereich, der auch die Form einer spaltartigen Öffnung haben kann. Ferner hat die ventillose Mikropumpe eine in strömungstech­ nischer Hinsicht anisotrope Struktur, die einen in Pumprich­ tung des Fluids geringeren Strömungswiderstand verglichen mit dem Strömungswiderstand entgegen der Pumprichtung hat. Die anisotrope Struktur ist in dem spaltartigen Bereich an­ geordnet oder bildet den spaltartigen Bereich und legt die­ sen somit fest. Die anisotrope Struktur befindet sich im Be­ reich des von der Aktorvorrichtung relativ zu der anisotro­ pen Struktur bewegten Fluids. Somit wird die von der Aktor­ vorrichtung erzwungene Hin- und Herbewegung des Fluids in dem spaltartigen Bereich in eine Nettopumpwirkung umgesetzt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Pumpe bei Verzicht auf Ventile mikrominiaturisiert ausgeführt werden kann, wenn diese einerseits eine oszillierende Aktor­ vorrichtung umfaßt, die dem Fluid eine Oszillationsbewegung aufprägt, und andererseits eine anisotrope Struktur hat, die im Bereich des von der Aktorvorrichtung relativ zu der an­ isotropen Struktur oszillierend bewegten Fluids angeordnet ist. Die für die erfindungsgemäße ventillose Mikropumpe be­ nötigte Aktorvorrichtung und die anisotrope Struktur lassen sich mittels an sich bekannter Herstellungsverfahren aus dem Bereich der Herstellung von Mikrostrukturen mittels Photo­ lithographie erzeugen und eignen sich insbesondere für eine Serienherstellung in Halbleitertechnik.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Mikropumpe sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungs­ gemäßen Mikropumpe näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 14 ein erstes bis vierzehntes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ventillosen Mikropumpe.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt das dort in einer Quer­ schnittsdarstellung gezeigte erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikropumpe zwei aus einem Siliziumwafer durch photolithographische Ätztechnik hergestellte Pumpen­ körper 1, 2, zwischen denen ein Durchströmungskanal 3 fest­ gelegt ist. Der Durchströmungskanal 3 hat senkrecht zu den Hauptflächen der beiden Pumpenkörper 1, 2 eine Erstreckung in Spaltrichtung, die zwischen 1 und 100 Mikrometer, typi­ scherweise bei etwa 10 Mikrometer liegt. Der obere der beiden Pumpenkörper 1 ist als oszillierende Aktorvorrichtung AK ausgestaltet. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Pumpenkörper 1 auf seiner dem Durchströmungskanal abgewandten Seite eine durch KOH-Ätzen in einem Siliziumwa­ fer hergestellte rückseitige Ausnehmung 4 zur Festlegung einer Membran M.

Obwohl dies in Fig. 1 nicht im einzelnen gezeigt ist, wird die Membran M in der durch den Doppelpfeil A bezeichneten Oszillationsrichtung mittels einer an sich bekannten elek­ tromechanischen Wandlervorrichtung (nicht dargestellt) oszillierend angetrieben.

Typischerweise wird man die Bewegung der Membran M in der Oszillationsrichtung A durch eine elektrostatische Wirkung herbeiführen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß in einem geringen Abstand von der leitfähig ausgebilde­ ten Membran M ein Gegenelektrodenkörper innerhalb der Aus­ nehmung 4 angeordnet wird, der gleichfalls leitfähig ausge­ bildet bzw. dotiert ist, wobei eine entsprechende Treiber­ spannung an diese beiden Elektroden angelegt wird. Typische Treiberfrequenzen für die oszillierende Bewegung der Membran M der Aktorvorrichtung AK sind einige kHz. Für die Zwecke der Erfindung kommt es jedoch, wie nachfolgend verdeutlicht werden wird, auf die Art des Antreibens der Aktorvorrichtung AK nicht an. Denkbar sind daher beispielsweise auch die Ver­ wendung von elektromagnetischen Elementen, thermopneumati­ schen Wandlern, sowie piezoelektrischen Wandlern. Allgemein kommt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 jedes Treiberelement in Betracht, welches zu einer Oszilla­ tion der Membran M der Aktorvorrichtung AK in der durch den Doppelpfeil A bezeichneten Oszillationsrichtung dient.

Die durch den zweiten Pumpenkörper 2 gebildete Wandung der erfindungsgemäßen ventillosen Mikropumpe hat bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in demjenigen Bereich, der der Membran M gegenüberliegt, eine anisotrope Struktur, die bei dem hier gezeigten Beispielsfall durch eine im Quer­ schnitt sägezahnförmige Oberflächenstruktur 5 der dem Durch­ strömungskanal 3 zugewandten Seite des zweiten Pumpenkörpers 2 gebildet ist.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bewirkt die Aktorvorrichtung AK eine Einprägung einer Oszillation des zu pumpenden Fluids im wesentlichen vertikal zu der gewünschten Pumprichtung, die durch den Pfeil B verdeutlicht ist, wobei der in Pumprichtung B niedrigere Strömungswiderstand der anisotropen Struktur AS bezogen auf den Strömungswiderstand entgegen der Pumprichtung B zu einer Nettoströmungsbewe­ gungsrichtung führt, die in Pumprichtung B orientiert ist. Es sei hervorgehoben, daß die erfindungsgemäße Mikropumpe ventillos arbeitet, so daß die im Stand der Technik häufig durch die Scherwirkung von Ventilen auftretende Beschädigung von Elementen des Fluids ausgeschlossen ist.

Die anisotrope Struktur des in Fig. 1 gezeigten Ausführungs­ beispiels in Form der sägezahnförmigen Oberflächenstruktur 5 des zweiten Pumpenkörpers kann durch anisotropes Ätzen eines Siliziumwafers in der 110-Ebene herbeigeführt werden und ist somit fertigungstechnisch für eine Serienherstellung geeig­ net.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel hebt sich von dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 da­ durch ab, daß hier die sägezahnförmige Oberflächenstruktur nicht erhaben, sondern in der Oberfläche versenkt ausgeführt ist.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikropumpe ist die anisotrope Struktur AS durch eine sägezahnförmige Oberflächenstruktur der Membran M auf ihrer dem durch Strömungskanal 3 zugewandten Seite im­ plementiert. Hier kann der zweite Pumpenkörper eine glatte, unstrukturierte Wandung sein, die zur Festlegung des Durch­ strömungskanales 3 dient. Bei der in Fig. 3 gezeigten Struk­ tur ist es unter Verzicht auf guten Pumpenwirkungsgrad denk­ bar, den zweiten Pumpenkörper 2 fortzulassen, soweit die Pumpe nur dazu dienen soll, eine Oberflächenströmung entlang des ersten Pumpenkörpers 1 herbeizuführen.

Bei dem vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ventillosen Mikropumpe gemäß Fig. 4 weist die Aktorvorrich­ tung AK neben der Struktur, die unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erläutert wurde, eine wei­ tere anisotrope Struktur AS an der dem Durchströmungskanal 3 zugewandten Fläche des ersten Pumpenkörpers 1 auf, welche die Bereiche außerhalb der Membran M überdeckt. Bei der er­ findungsgemäßen Mikropumpe kann die anisotrope Struktur nicht nur an den dem Durchströmungskanal 3 zugewandten Flä­ chenbereichen der beiden Pumpenkörper 1, 2 ausgebildet sein, wie dies bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 4 der Fall ist, sondern beispielsweise auch zwischen den beiden Pumpenkörpern innerhalb des Durchströmungskanals 3 angeordnet sein, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 verdeutlicht ist. Hier umfaßt die anisotrope Struktur AS mehrere in Strömungsrichtung hintereinander in dem Strö­ mungskanal 3 angeordnete, im Querschnitt halbkreisförmige Balkensegmente 7. Jedoch kommen abweichend von der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform auch andere Ausgestaltungen der anisotropen Struktur bei Anordnung von Balkensegmenten in­ nerhalb des Durchströmungskanals 3 in Betracht, soweit diese in Pumprichtung B einen niedrigeren Strömungswiderstand her­ vorrufen als entgegen der Pumprichtung B.

Das in Fig. 6 gezeigte sechste Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemäßen Mikropumpe besteht aus zwei symmetrischen Pumpenkörpern 1, 2 mit Membranen M, die Membranverstärkungs­ bereiche 8, 9 haben, welche im Bereich des Durchströmungs­ kanales 3 einen relativ engen Durchströmungsspalt definie­ ren. Diese eng benachbarten Membranverstärkungsbereiche haben aufgrund ihrer sägezahnförmigen Oberflächengestalt gleichfalls die Wirkung anisotroper Strukturen AS. Das Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 6 läßt sich durch Zusammenfügen zweier identischen, durch photolithographische Ätzverfahren hergestellten Halbleiterpumpenkörper realisieren.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten siebten Ausführungsbeispiel hat der erste Pumpenkörper 1 eine ätztechnisch realisierte Ausnehmung 10 zur Festlegung der Membrane M. Die Ausnehmung 10 legt eine Pumpkammer fest, die von zwei weiteren Pumpen­ körpern 2a, 2b überdeckt wird. Diese Pumpenkörper 2a, 2b legen einen Einlaß 11 und einen Auslaß 12 für den Pumpenraum fest, wobei die in Strömungsrichtung einlaßseitig bzw. aus­ laßseitig jeweils V-förmigen Wandungen der Einlaßöffnung bzw. der Auslaßöffnung ein Pumpströmungsrichtung festlegen.

Das in Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel hebt sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 dadurch ab, daß hier der erste Pumpenkörper 1 zur Erhöhung der Elastitzität der Auf­ hängung der Membrane M in dem an die Membrane M angrenzenden Bereich als Balgen B strukturiert ist.

Das in Fig. 9 dargestellte neunte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ventillosen Mikropumpe hebt sich dadurch von dem in Fig. 7 gezeigten siebten Ausführungsbeispiel ab, daß hier der Membranbereich M des ersten Pumpenkörpers auf seiner dem Pumpenraum zugewandten Seite als anisotrope Struktur zur Verstärkung der Pumpwirkung ausgeführt ist.

Bei dem in Fig. 10 gezeigten zehnten Ausführungsbeispiel weist wiederum der erste Pumpenkörper 1 einen Membranver­ stärkungsbereich 8 auf, der im wesentlichen die Struktur des Membranverstärkungsbereiches 8 des ersten Pumpenkörpers 1 des sechsten Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 6 hat. Der diesem ersten Pumpenkörper zur Definition des Durchströ­ mungskanales 3 gegenüberliegende zweite Pumpenkörper 2 ist im wesentlichen plattenförmig ausgeführt und hat lediglich eine Öffnung 13 zur Verbindung des Durchströmungskanales 3 mit der dem Durchströmungskanal 3 abgewandten Seite des zweiten Pumpenkörpers 2.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 hat der erste Pumpenkörper 1 wiederum einen membranartigen Bereich M, des­ sen dem Durchströmungskanal 3 zugewandte Seite als aniso­ trope Struktur AS ausgeführt ist, welche hier als sägezahn­ förmige Spitzenstruktur 14 einer teilweise glatten Membran­ innenseite 15 ausgebildet ist. Hier sind auf der dem ersten Pumpenkörper 1 gegenüberliegenden Seite des Durchströmungs­ kanals 3 ein zweiter und dritter Pumpenkörper 2a, 2b vorge­ sehen. Diese umfassen jeweils im Querschnitt drei V-förmige Balken 16, 17, die aufeinander aufliegen. Die Balken des zweiten Pumpenkörpers 2a sind mit ihren Dreiecksspitzen vom Durchströmungskanal 3 abgewandt. Dies trifft auch für die in Fig. 11 linksseitige Hälfte der Balken des dritten Pumpen­ körpers 2b zu, während die rechtsseitige Hälfte der Balken 17 entgegengesetzt orientiert vorgesehen ist. Eine Eingangs­ seite 18 und eine Ausgangsseite 19 dieser Mikropumpe sind durch eine Trennwand 20 voneinander separiert. An der dem Durchströmungskanal 3 abgewandten Seite der Membran M des ersten Pumpenkörpers 1 sind fünf Betätigungselemente 21, 22, 23, 24, 25 vorgesehen, die beispielsweise piezoelektrische Elemente oder elektrostatisch angeregte Elemente sein können. Diese werden sequentiell derart angeregt, daß sich die Membrane M wellenartig in Form einer Wanderwelle in der durch den Pfeil C bezeichneten Richtung deformiert.

Das zwölfte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 hebt sich dadurch von demjenigen der Fig. 11 ab, daß hier die Membran M zur Erhöhung ihrer Elastizität mit Ausnehmungen 26 auf ihrer dem Durchströmungskanal 3 abgewandten Seite versehen ist, welche den sägezahnförmigen Spitzen 14 der anisotropen Struktur AS zur Bildung balgenähnlicher Aufhängungen gegen­ überliegen. Zur Erhöhung der Pumpleistung haben hier der zweite und dritte Pumpenkörper 2a, 2b neben den beschrie­ benen, im Querschnitt dreieckförmigen Balkensegmenten, die hier versetzt angeordnet sind, auch zweiflächig geschlossene Abschnitte 27, 28, die gleichzeitig zur Trennung eines Ein­ laßbereiches und eines Auslaßbereiches beidseits derselben dienen.

Bei dem dreizehnten Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen ventillosen Mikropumpe, das in Fig. 13 dargestellt ist, hat der erste Pumpenkörper 1 eine Membran M mit einem mittigen Membranversteifungsbereich 30, an den sich Balgen­ bereiche 29 anschließen, welche zur Erhöhung der Membran­ elastizität dienen. Der Membranversteifungsbereich weist wiederum auf seiner dem Durchströmungskanal 3 zugewandten Seite eine anisotrope Struktur AS in Form einer sägezahn­ förmigen Oberflächenstruktur 31 auf.

Ein zweiter und ein dritter Pumpenkörper 2a, 2b haben gegen­ über dem Membranverstärkungsbereich 30 des ersten Pumpen­ körpers aufeinanderliegende Flächenbereiche 32, 33, an die sich beidseitig gegenüber den Balgenbereichen 29 angeordne­ te, im Querschnitt dreiecksförmige balkenartige Segmente 34, 35 zur Definition eines Einlaß- und Auslaß-Bereiches der Mikropumpe anschließen.

Die in Fig. 14 dargestellte vierzehnte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropumpe hebt sich von dem beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch ab, daß hier die Ak­ torvorrichtung AK als elektrostatische Betätigung der Mem­ brane M in einer möglichen Ausführungsform dargestellt ist. In der rückseitigen Ausnehmung 4 des ersten Pumpenkörpers 1 liegt hier ein leitender Vorsprung 35 eines Gegenelektroden­ körpers 36, der von dem ersten Pumpenkörper durch nicht-lei­ tende Abstandshalter 37 beabstandet ist. Durch Anlegen einer Wechselspannung an den ersten Pumpenkörper 1 und den Gegen­ elektrodenkörper 36 kommt es zu einer elektrostatischen An­ ziehung und Abstoßung der Membrane M bezüglich der Gegen­ elektrode 35 und somit zu einer Oszillation in der mit A be­ zeichneten Schwingungsrichtung.

Claims (18)

1. Ventillose Mikropumpe, gekennzeichnet durch
eine oszillierende Aktorvorrichtung (AK), die dem in einem spaltartigen Bereich befindlichen Fluid eine Oszillationsbewegung aufprägt, und
eine in strömungstechnischer Hinsicht anisotrope Struk­ tur (AS), die in dem spaltartigen Bereich angeordnet ist oder diesen spaltartigen Bereich festlegt und die im Be­ reich des von der Aktorvorrichtung relativ zu der aniso­ tropen Struktur (AS) bewegten Fluids angeordnet ist.

2. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine der Aktorvorrichtung (AK) zur Festlegung eines spaltartigen Durchströmungskanales (K) gegenüberliegende Wandung (2, 2a, 2b).

3. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktorvorrichtung (AK) eine Membran (M) aufweist.

4. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Oszillationsbewegung (A) der Aktor­ vorrichtung (AK) im wesentlichen senkrecht auf der Fluidströmungsrichtung (B) steht.

5. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope Struktur (AS) in der der Aktorvor­ richtung (AK) gegenüberliegenden Wandung (2) ausgebildet ist.

6. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope Struktur (AS) in der Wandung (2) in einem der Membran (M) gegenüberliegenden Bereich ausge­ bildet ist.

7. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die anisotrope Struktur (AS) in der Aktorvorrichtung (AK) ausgebildet ist.

8. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope Struktur (AS) in der Membran (M) ausgebildet ist.

9. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope Struktur (AS) in einem an die Membran (M) anschließenden Bereich der Aktorvorrichtung (AK) ausgebildet ist.

10. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die anisotrope Struktur (AS) in dem Durchströmungs­ kanal (3) zwischen der Aktorvorrichtung (AK) und der Wandung (2) angeordnet ist.

11. Ventillose Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des spaltartigen Bereichs (3) zwischen einem Mikrometer und einhundert Mikrometer beträgt.

12. Ventillose Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope Struktur (AS) sägezahnartig ist.

13. Anisotrope Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope Struktur (AS) im Querschnitt halb­ kreisförmig ist.

14. Ventillose Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktorvorrichtung (AK) und die anisotrope Struktur (AS) mittels photolithographischer Verfahren hergestellt sind.

15. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aktorvorrichtung (AK) und die anisotrope Struktur (AS) aus einem Halbleitermaterial bestehen.

16. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran (M) in einem Siliziumwafer durch KOH- Ätzen gebildet ist.

17. Ventillose Mikropumpe nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran (M) elektrostatisch mit einer Frequenz von einigen kHz betrieben wird.

18. Ventillose Mikropumpe nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope Struktur (AS) sägezahnförmig ist und durch anisotropes Ätzen eines Siliziumwafers in der 110-Ebene gebildet ist.