DE4402119A1 - Mikromembranpumpe - Google Patents
MikromembranpumpeInfo
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
- F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
- F04B43/04—Pumps having electric drive
- F04B43/043—Micropumps
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Description
Die Erfindung betrifft eine Mikromembranpumpe nach dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1.
Es sind verschiedene Mikromembranpumpen bekannt, so z. B. zwei
unterschiedlich angetriebene Pumpen, welche in H.T.G. van Lin
tel, F.C.M. van de Pol, "A piezoelectric micropump based on
micromachining of silicon", Sensors and Actuators, 15 1988
153-167 und H.T.G. van Lintel, H.T.G. van Lintel, M. Elwen
spoek, J.H.J. Fluitman, "A thermopneumatic pump based on
micro-engeneering techniques", Sensors and Actuators, A21-A23
1990, 198-202 beschrieben wurden. Die erste Pumpe besitzt eine
Pumpmembrane mit aufgeklebter Piezokeramik, die zweite Pumpe
besitzt oberhalb der Pumpmembrane einen thermopneumatischen
Antrieb in Form eines bei Wärmezufuhr expandierenden Luftvolu
mens. Beide Pumpen verfügen über integrierte Einlaß- und Aus
laßventile.
Eine weitere Mikropumpe ist in Roland Zengerle, Axel Richter,
"Mikropumpen als Komponenten für Mikrosysteme", Physik in un
serer Zeit /24. Jahrg.1993/ Nr. 2 beschrieben worden, die
ebenfalls über integrierte Ventile verfügt und deren Pumpmem
brane durch elektrostatische Kräfte ausgelenkt wird.
Die festen und beweglichen Teile der angeführten Mikromembran
pumpen, die den derzeitigen Stand der Technik repräsentieren,
sind im wesentlichen aus den Grundmaterialien Silizium und
Glas gefertigt. Die elastischen Teile der beschriebenen Pum
pen, das sind vor allem die Pump- und Ventilmembranen, werden
dabei mit unterschiedlichen Ätzverfahren dünngeätzt. Die
kleinsten Membrandicken liegen dabei in der Größenordnung von
20 mm. Die Dicke der Membranen und die Materialeigenschaften
von Glas bzw. Silizium liefern bei diesen Pumpen die die
Pumpleistung im wesentlichen einschränkenden Randbedingungen.
Es sind bei relativ großen Membrandurchmessern nur kleine Aus
lenkungen möglich. Als Folge lassen sich mit derartigen Pump
membranen nicht die zur Förderung von Gasen erforderlichen
Kompressionsverhältnisse erreichen. Ferner müssen die Durch
messer der Ventile sehr groß gewählt werden, um die Flexibili
tät der Ventilmembranen und damit den Druckverlust in Durch
laßrichtung klein zu halten.
Eine weitere Pumpe wird in R. Rapp, W. K. Schomburg, P. Bley,
"Konzeption, Entwicklung und Realisierung einer Mikromembran
pumpe in LIGA-Technik", KfK-Bericht Nr. 5251, (1993) be
schrieben. Diese Pumpe wird von einem externen pneumatischen
Aktor angetrieben und ist in der Lage, gasförmige Medien zu
fördern. Die Pumpe hat eine Pumpmembrane aus Titan und Ven
tile, die aus einer Titan- und einer Polyimidmembran bestehen.
Die Pumpmembrane kann bis zum Boden der Pumpkammer ausgelenkt
werden und besitzt auf diese Weise ein hohes Kompressionsver
hältnis. Für die Auslenkung der Pumpenmembrane wird allerdings
ein relativ hoher Druck benötigt, der von einem integrierten
Aktor nicht erzeugt werden kann. Außerdem müssen zur Fertigung
alle Pumpen einzeln verklebt werden, was einen hohen Aufwand
erfordert. Die Herstellung dieser Pumpe erfordert viele nach
einander auszuführende Einzelschritte.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe der e. g. Art so aus
zugestalten, daß sie mit wenigen Arbeitsgängen bei einer ein
fachen Bauweise aufgebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1
gelöst.
Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen
der Pumpe.
Ein besonderer Vorteil der Pumpe besteht darin, daß die
gleichzeitige, parallele Fertigung vieler Pumpen mit wenigen
Herstellungsschritten mit möglichst wenig Aufwand ermöglicht
wird. Der möglichst geringe Herstellungsaufwand bezieht sich
dabei sowohl auf die Fertigung der Einzelkomponenten der Pumpe
wie Pumpgehäuse, Pumpmembrane und Ventile als auch auf die
gleichzeitige und exakte Verklebung vieler Mikrokomponenten in
einem Schritt. Des weiteren sind durch Ausgestaltung der Mem
bran im Bereich der Aktorkammer die Druckverluste minimiert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels mit
Hilfe der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Pumpe
und Fig. 2 ein Formwerkzeug zu deren Herstellung.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen Ventile, wie sie bei der Pumpe ver
wendet werden.
Die Fig. 6, 7 und 9 bis 12 erläutern die Klebetechnik zur Her
stellung der Pumpe und die Fig. 8 zeigt beispielhaft die Her
stellung einer Membran mit Heizwendel.
Die Fig. 1 zeigt schematisch den Grundaufbau der Mikropumpe.
Eine Polyimid-Membrane 3 mit einer Dicke von 2 mm ist auf ih
rer Oberseite mit dem Pumpgehäuse-Oberteil 1 und auf ihrer Un
terseite mit dem Pumpgehäuse-Unterteil 2 verklebt. Die Pumpge
häuse enthalten die nichtbeweglichen Funktionskomponenten der
Pumpe. Diese sind im Pumpgehäuse-Oberteil 1 die Aktorkammer
17, verschiedene Strömungskanäle 6, die Ventilkammer 8 und der
Ventilsitz des Einlaßventils 10, die Ventilkammer des Aus
laßventils 13, Fluid-Einlaß 5, Fluid-Auslaß 7, ein zusammen
hängendes Hohlraumsystem 19 zur Befüllung mit Klebstoff, sowie
Einfüllöffnungen 20 und Austrittsöffnungen für die Befüllung
mit Klebstoff. Ferner nicht abgebildet sind Öffnungen für die
elektrische Kontaktierung der Pumpe vorhanden. Die Funktions
komponenten sind im Pumpgehäuse-Unterteil die Pumpkammer 16,
die Strömungskanäle 6 zwischen Ventilen und Pumpkammer, die
Ventilkammer des Einlaßventils 9, der Ventilsitz des Auslaß
ventils 14, ein Hohlraumsystem 18 zur Befüllung mit Klebstoff,
Klebstoffeinlaß 22 und Klebstoffauslaß 23. Die Hohlräume 18, 19
für den Befüllvorgang und die Hohlräume 6, 8, 9, 12, 13, 16,
17 sind voneinander durch Stege 24 abgegrenzt, mit deren Hilfe
die lateralen Strukturen gebildet und die Strukturhöhe genau
definiert werden. Die Polyimid-Membran 3 zeichnet sich durch
eine hohe Elastizität aus und bildet im Bereich der Aktorkam
mer 17 die Pump-Membrane. Im Bereich des Einlaßventils 8, 9,
10 und des Auslaßventils 12, 13, 14 befindet sich jeweils ein
Loch 11 und 15 in der Polyimid-Membran 3. Die Ventilwirkung
entsteht dadurch, daß das Loch in der Membran durch den planen
Ventilsitz verschlossen wird, sofern ein Überdruck auf der dem
Ventilsitz gegenüberliegenden Seite herrscht, bzw. daß die
Membran bei umgekehrt anliegendem Überdruck derart vom Ventil
sitz abhebt, daß das Loch in der Membran freigegeben wird und
ein Durchfluß entsteht. Der Antrieb der Mikromembranpumpe er
folgt durch die thermische Ausdehnung eines Fluids, welches
sich in der Aktorkammer 17 befindet und durch eine auf die Po
lyimidmembran aufgebrachte metallische Heizwendel 4 erwärmt
wird.
Die Funktionsweise der Mikropumpe:
Ein kurzer Strompuls wird auf die Heizwendel 4 gegeben. Diese
erwärmt sich und gibt Wärme sowohl an das Medium in der Aktor
kammer 17 als auch an das Medium in der Pumpkammer ab. Befin
den sich in der Aktorkammer 17 und Pumpkammer 16 gasförmige
Medien, so lenkt die aus der Erwärmung resultierende
Druckerhöhung des Aktorgases die Pumpmembrane aus. Die Auslen
kung der Pumpmembrane 3 verringert das Volumen der Pumpkammer
16 und führt zusammen mit der gleichzeitigen Erwärmung des
Pumpgases zu einem Druckanstieg in der Pumpkammer 16. Durch
die Verwendung eines flüssigen, bei niedriger Temperatur sie
denden Mediums in der Aktorkammer 17 wird die Ausdehnung des
Mediums durch dessen Verdampfung erreicht, wodurch sich sehr
hohe Aktordrücke erzeugen lassen. Die Folge der Druckerhöhung
in der Aktorkammer 17 ist hier wieder die Auslenkung der Pump-
Membran 3 in Richtung der Pumpkammer 16. In beiden Fällen
setzt sich die resultierende Druckerhöhung des zu pumpenden
Fluids über die Strömungskanäle zu den Ventilen hin fort und
führt dazu, daß sich die Membran im Bereich des Einlaßventils
11 an dessen Ventilsitz 10 anlegt und das Ventil verschließt,
während die Membran im Bereich des Auslaßventils 15 vom Ven
tilsitz 14 abhebt und die Öffnung in der Ventilmembran frei
gibt. Das Pumpmedium wird ausgeschoben.
Nach dem Ende des Strompulses beginnt die Abkühlung des Medi
ums in der Aktorkammer 17 durch Wärmeleitung und Wärme
strahlung. Im Fall des gasförmigen Mediums in der Aktorkammer
verringern sich Druck und Volumen im Innern der Aktorkammer
gemäß den Gasgesetzen, im Fall der verdampften Flüssigkeit
führt Kondensation wieder zum Ausgangszustand zurück. Die
Pumpenmembrane bewegt sich wieder in ihre Ausgangslage zurück
und erzeugt so als Folge des zuvor ausgeschobenen Pumpmediums
einen Unterdruck in der Pumpkammer 16 und an den Ventilen.
Entsprechend der oben beschriebenen Ventilfunktion schließt
nun das Auslaßventil, während das Einlaßventil öffnet und
Pumpmedium in die Pumpkammer einläßt. Diese Vorgänge wiederho
len sich mit jedem Pumpzyklus.
Die direkt auf die Pumpmembrane aufgebrachte Heizwendel hat
neben des daraus resultierenden einfachen Herstellungsverfahrens
weitere wesentliche Vorteile. Zum einen ist der Wärme
übergang auf das Pumpengehäuse in der Aufheizphase minimiert.
Zum zweiten wird bei Verwendung einer niedrig siedenden Flüs
sigkeit als Aktormedium die Rekondensation des Aktormediums
durch das geförderte Medium an der Stelle der Heizwendel ein
geleitet. Dadurch wird erreicht, daß am Beginn der nächsten
Aufheizphase die Heizwendel in optimalem Wärmekontakt mit der
Aktorflüssigkeit steht.
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ventils. Die
Ventile sind dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer flexi
blen, freigespannten Membrane 3 bestehen, welche im zentralen
Bereich eine mikrostrukturierte Öffnung 11 besitzt. Der Umriß
der Ventilöffnung 11 und der Membraneinspannung 25 kann, wie
in Fig. 4 beispielhaft gezeigt, rund, oval oder durch einen
Polygonzug beschreibbar sein. Fig. 3 erläutert den grund
sätzlichen Aufbau eines Ventils, wie es in den hergestellten
Pumpen implementiert ist. Auf einer Seite der Membran befindet
sich ein ebener, fester Ventilsitz 10, der die Öffnung der
Ventilmembrane um mindestens die Breite der erforderlichen
Dichtfläche zwischen Membran und Ventilsitz überdeckt. Der
Ventilsitz ist Teil eines der beiden Pumpenkörper, die mit der
Membran verbunden sind. Die Dichtigkeit der Ventile in Sperr
richtung wird durch das Maß der Überdeckung, die Oberflächen
rauhigkeit von Ventilmembran und Ventilsitz und wesentlich
durch die Flexibilität der Ventilmembran bestimmt. Durch eine
sehr dünne Polyimid-Membran kann auch unter unsauberen Bedin
gungen die Dichtwirkung beibehalten werden, da sie in der Lage
ist, sich um kleine Schmutzpartikel herum anzuschmiegen.
Durch die Höhe der Ventilsitze läßt sich das Öffnungs- und
Schließverhalten der Ventile vorgeben, siehe Fig. 5. Fig. 5a
zeigt die Verhältnisse des ausgeführten Beispiels. Membranein
spannung und Ventilsitz befinden sich in einer Ebene. Fig. 5b
zeigt das Ausführungsbeispiel eines hohen Ventilsitzes, der im
lastfreien Zustand die Membrane nach oben wölbt. Hier ist zum
Öffnen des Ventils bereits eine erhebliche Druckdifferenz not
wendig, das Ventil bleibt bis zum Erreichen dieser Druckdiffe
renz in Durchlaßrichtung geschlossen. Der Druckabfall bei ge
gebenem Durchfluß und dadurch der Leistungsabfall ist höher als
in Fig. 5a. Es verringert sich jedoch der Rückfluß bei
Lastwechseln durch das kleinere Schlagvolumen und durch die
geringere Nachgiebigkeit der freien, stärker gespannten
Membrane. Diese Konfiguration ist dann von Vorteil, wenn
kleine Volumenströme unter großen Druckdifferenzen gleichge
richtet werden sollen oder wenn die Lastwechselfrequenzen hoch
sind. In Fig. 5c erreicht die Höhe des Ventilsitzes nicht die
Ebene der Membraneinspannung, die Membran ist im lastfreien
Fall auf ihrer ganzen Fläche frei gespannt. Das Ventil besitzt
in Durchlaßrichtung einen geringeren Strömungswiderstand als
im Fall a, schließt in Sperrrichtung jedoch erst nach Errei
chen eines Sperrdruckes. Diese Auslegung von Ventilsitz und
Membran ist dann von Vorteil, wenn große Volumenströme unter
kleinen Druckdifferenzen gleichgerichtet werden sollen.
Werden die Einzelteile oberes Pumpgehäuse, Membrane und un
teres Pumpgehäuse in konventioneller Weise verklebt, d. h.
wird auf die Einzelteile Kleber mit Techniken wie Dispensen,
Siebdruck oder Tampondruck aufgetragen, dann entsteht eine
Klebstoffschicht, deren Dicke mit ca. 10 µm bereits mit der
Größenordnung der Mikrostrukturen selbst vergleichbar sein
kann. Hohe Toleranzen der Klebefugendicke sind dabei nicht zu
vermeiden, was vor allem negative Auswirkungen auf die Funk
tion der Mikroventile hat, da der gewünschte Abstand zwischen
Ventilmembrane und Ventilsitz nicht exakt eingehalten werden
kann. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Klebetechniken ist
die zusätzliche Positionierung der lateralen Verteilung des
Klebstoffs zu den Mikrostrukturen, da verschiedene Bereiche,
so z. B. die Ventilsitze und Kanalstrukturen, nicht mit Kleb
stoff benetzt werden dürfen. Ist schließlich der Klebstoff
aufgebracht, dann stellt die exakte Positionierung der Klebe
partner zueinander und das anschließende verschmierungsfreie
Zusammenfügen sehr hohe Anforderungen an die Handhabung der
Proben. Es sind also zwei positionierte Arbeitsgänge notwen
dig.
Die in Anspruch 5 genannte Klebetechnik übergeht all diese
Nachteile und ist durch ihre Einfachheit und durch die geringe
Anzahl der Arbeitsschritte für die parallele Verklebung von
Mikrostrukturen hervorragend geeignet. Dabei werden bereits im
Design der Mikrostrukturen die Voraussetzungen für das er
folgreiche Verkleben geschaffen. Der Grundgedanke ist, daß
sich auf einem Substrat, welches eine große Anzahl von Mi
krostrukturen enthalten kann, konkave Strukturen um die Mi
krostrukturen herum befinden, die zusammenhängend oder teil
zusammenhängend sein können und von den funktionellen Berei
chen der Mikrostrukturen durch Stege konstanter Höhe getrennt
sind. Die konkaven Strukturen haben die Aufgabe, im eigentli
chen Klebeschritt den Klebstoff aufzunehmen, so daß sich nach
der Verklebung der Klebstoff, durch die Stege getrennt, rund
um die Mikrostrukturen herum befindet. Der Klebstoff übernimmt
die Funktion der mechanischen Verknüpfung der Fügepartner, der
Abdichtung einzelner Mikrostrukturen und der Fügepartner un
tereinander und trägt durch innere Relaxationsvorgänge zum Ab
bau von Eigenspannungen, die z. B. durch Temperaturwechsel
zwischen den Klebepartnern entstehen, bei. Die Stege haben die
Aufgabe, durch ihre Höhe eine exakt reproduzierbare Referenz
höhe für die Einstellung der Klebefugendicke vorzugeben und
ein Hineinfließen des Klebstoffs in die Mikrostrukturen wäh
rend des Klebevorgangs zu vermeiden.
Fig. 6 erläutert die Verhältnisse anhand einer Aufsicht des
Gehäuseunterteils der Mikropumpen, wie sie hergestellt wurden.
Dabei bedeuten 18 die konkave Struktur, in die Klebstoff ein
gefüllt wird, 24 die Stege, die den Klebebereich abgrenzen,
16, 9, 6, 14 sind die Funktionsbereiche Pumpkammer, Ventilkam
mer, Strömungskanäle der Pumpe und Ventilsitz, die frei von
Klebstoff bleiben müssen. 22 ist die Öffnung, in die der Kleb
stoff einfließt und 23 ist die Öffnung, aus der überschüssiger
Klebstoff wieder austreten kann oder in eine weitere Mi
krostruktur eintreten kann.
Fig. 12 zeigt als Detail den Querschnitt durch eine konkave
Struktur zur Aufnahme des Klebstoffs zischen zwei Mikrostruk
turen. Es bedeuten 24 die Stege, die den Klebstoffbereich von
den eigentlichen Mikrostrukturen abgrenzen, 26 und 31 sind die
lokal beteiligten Klebepartner. Fig. 12a zeigt den Fall, daß
die Klebeschichtdicke der Höhe der Stege (=Referenzhöhe) ent
spricht. In Fig. 12b ist die konkave Struktur zur Aufnahme
des Klebstoffs in Bereiche großer Strukturhöhe 36, welche vor
nehmlich der Klebstoffbeschickung dienen, und in Bereiche
niedriger Strukturhöhe, welche eine an den Klebstoff angepaßte
exakte Einstellung der tatsächlichen Klebstoffdicke erlaubt.
Der Klebevorgang beginnt mit der Justierung der Klebepartner
zueinander (Fig. 7a) und dem anschließenden Fixieren der Fü
gepartner durch eine Verspannvorrichtung (Fig. 7b). Die Ver
spannung sorgt dafür, daß die Stege 24 des einen Fügepartners
auf den zweiten Fügepartner gepreßt werden, wodurch ein enger
Kontakt gewährleistet ist. Dieser enge Kontakt ermöglicht die
exakte Einhaltung des gewünschten Strukturabstandes der beiden
Fügepartner und bietet eine hinreichende Abdichtung während
des eigentlichen Klebeprozesses. Der Vorgang des Justierens
und Verspannens geschieht ohne die Anwesenheit von Klebstoff,
was den Vorteil hat, daß sich die Probleme das Klebstoff-Hand
ling nicht negativ auf die Präzision der Verklebung auswirken
können. Im eigentlichen Klebe-Schritt (Fig. 7c) wird der
Klebstoff in die durch das Zusammenfügen entstanden Hohlstruk
turen eingefüllt. Dabei können entweder Mikrostrukturen, wel
che einen Kleberein- 20 und -auslaß 21 besitzen, einzeln be
füllt werden (siehe Fig. 6), oder eine große Anzahl von Mi
krostrukturen, die über entsprechend vorbereitete Hohlräume
verfügen, über ein Kanalsystem befüllt werden (siehe Fig. 9),
oder es kann eine Anzahl von Mikrostrukturen über ein komplet
tes Hohlraumsystem befüllt werden (siehe Fig. 10). Der Ablauf
des Befüllvorgangs hängt von den fluid-dynamischen Eigenschaf
ten des verwendeten Klebstoffs ab. Zur Steuerung der Befüllung
kann der Klebstoff über eine Kanüle, die dicht auf den Kle
bereinlaß aufgesetzt wird, zugeführt werden. Je nach Viskosi
tät und Benetzungsfähigkeit des Klebstoffs, sowie der gewünschten
Einfließgeschwindigkeit, wird der Klebstoff mit
Überdruck in die Mikrostrukturen gefördert, bis er an der Aus
trittsöffnung austritt. Klebstoff-Fluß und -Verteilung werden
dabei durch die Geometrie des Hohlraumsystems gesteuert. Eine
weitere Steuerung des Fließprozesses läßt sich erreichen, in
dem Austrittsöffnungen 21 mit Unterdruck beaufschlagt werden.
Dies kann vor allem dann notwendig sein, wenn bei der Kon
struktion komplexer Kanalsysteme die fluiddynamischen Voraus
setzungen für ein gleichmäßiges Befüllen nicht hinreichend ge
nau berücksichtigt werden konnten. Nach dem Befüllen wird die
Aushärtung des Klebstoffs nach dessen Spezifikation vorgenom
men.
Geeignet für diese Technologie sind alle Klebstoffe zufrieden
stellender Adhäsion, die sich in die Mikrokanäle und Mikro
hohlräume mit vertretbaren Drücken hineinbefördern lassen.
Eine besondere Bedeutung kommt der Oberflächenspannung des
Klebstoffes und dem daraus resultierenden Kapillarverhalten im
Zusammenspiel mit den Fügepartnern zu. Hochbenetzende Kleb
stoffe haben die Eigenschaft, in kleinste Spalten einzudrin
gen. Dies kann dazu führen, daß Klebstoff, der wie beschrieben
in die Klebeteile eingeführt wird, durch Rauhigkeiten im Nano
meter-Bereich unter die auf den Klebepartner gepreßten Stege
kriecht, was u. U. für die Funktion des Mikrobauteils uner
wünscht sein kann. Im allgemeinen führt dieser Effekt nicht zu
einer Störung der Funktion des Mikrobauteils, sofern der Kleb
stoff nicht über die Kante der Stege, die den Klebehohlräumen
abgewandt sind, hinüberfließt und die Mikrostrukturen benetzt,
die frei von Klebstoff bleiben sollen. Soll ein Hineinfließen
des Klebstoffs unter die Stege vollständig unterbunden werden,
so läßt sich der Klebeprozeß durch einen nicht-justierten Zwi
schenschritt erweitern, der für eine vollständige Abdichtung
unterhalb der Stege sorgt. Dazu werden die Mikrostrukturen,
die die Stege enthalten, im Stempelverfahren mit einer hoch
viskosen, chemisch stabilen Schicht, welche auf einem ebenen
Substrat mit konstanter Dicke aufgetragen wurde, in Kontakt
gebracht. Es kann sich hier z. B. um ein Industriefett han
deln, welches sich nach der Verklebung mit einem Lösungsmittel
wieder rückstandsfrei herausspülen läßt. Werden die Stege
nun auf den Klebepartner aufgepreßt (siehe Fig. 7b), so dich
tet die in der Größenordnung der Oberflächen-Rauhigkeit aufge
brachte Schicht die Klebe-Hohlräume vollständig von den Kle
ber-freien Funktionsbereichen ab. Ein Eindringen des Klebers
als Folge der Kapillarwirkung findet nicht mehr statt.
Es ist ferner die Verwendung von Schmelzklebern denkbar, so
fern dessen Verarbeitungstemperatur die Fügepartner nicht zer
stört oder beeinträchtigt. Hier müssen die Klebepartner vor
dem Befüllvorgang auf die Verarbeitungstemperatur des Kleb
stoffs gebracht werden.
Es ist auch möglich, daß mehr als zwei Klebepartner an einer
Verklebung beteiligt sind. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn
wie in Fig. 11 an einem Beispiel gezeigt, eine Hilfsstruktur
32 verwendet wird, um eine erste Struktur 28, 26 mit einer
zweiten Struktur 31 zu verkleben. Die Hilfsstruktur 32 sorgt
für eine Trennung der Bereiche, die Klebstoff enthalten sollen
von den Bereichen, die frei von Klebstoff bleiben müssen und
sorgt für die exakte Einhaltung eines gewünschten Abstandes
zwischen den Klebepartnern. Sie kann aus einem oder mehreren
Teilen bestehen, sie kann diskret eingelegt werden oder sie
kann auf einem der Klebepartner aufgebaut worden sein.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Herstellung der
Einzelkomponenten der Mikropumpe beschrieben:
Jede der drei Einzelkomponenten Pumpgehäuse-Oberteil 1, Pump
membrane 3 mit aufgebrachter Metallstruktur 4, Pumpgehäuse-Un
terteil 2 in Fig. 1 der Mikropumpe wurde unabhängig herge
stellt. Die Einzelkomponenten können somit vor dem Zusammen
setzen geprüft werden.
Oberer 1 und unterer Pumpkörper 2 wurden mit Hilfe eines mi
krostrukturierten Abformwerkzeuges durch Methoden der Kunst
stoffverarbeitung Spritzgießen und Vakuumprägen hergestellt.
Die Fig. 2 veranschaulicht beispielhaft die Struktur eines
Abformwerkzeuges für das Gehäuse-Oberteil von Fig. 1. Ein für
den Einsatz in die Kunststoff-Abformapparatur vorbereitetes,
an der Abformfläche geschliffenes und poliertes Halbzeug aus
Messing wurde mit Hilfe eines Hartmetall-Mikrofräsers (Durch
messer: 300 µm) strukturiert. Es sind sowohl die Strukturen
für die Ventilsitze nach Anspruch 2 enthalten, als auch die
Strukturen zur Separierung des Klebstoffbereichs vom Funkti
onsbereich der Mikropumpe nach Anspruch 1. Die Formeinsätze
konnten dadurch, daß die Pumpengehäuse nur aus Stegen konstan
ter Breite (=Fräserbreite) und wenigen Ventilsitzen bestehen
mit geringer Maschinenzeit in Form von Nuten einfacher Geome
trie gefräst werden. Auf einem ersten Abformwerkzeug befanden
sich die Strukturen für zwölf Pumpen-Oberteile 1, auf einem
zweiten Formeinsatz die Strukturen für zwölf Pumpen-Unterteile.
Zur Herstellung der Kunststoff-Pumpenkörper wurden die Pa
rameter sowohl der Vakuum-Prägevorrichtung als auch der
Spritzgießmaschine so gewählt, daß die Gesamtstärke der abge
formten Teile 1 mm betrug. Als Materialien wurden die Kunst
stoffe Polysulfon (PSU) (in der Spritzgießmaschine) und Poly
venyldiflourid (PVDF) (in der Vakuum-Prägemaschine) verwendet.
Die genannten Materialien zeichnen sich durch hohe chemische
Beständigkeit, optische Transparenz und Temperaturfestigkeit
aus. Eine für den Pumpbetrieb ungünstige Materialeigenschaft
aller Kunststoffe ist deren im Vergleich zu Metallen und Halb
leitern geringe Wärmeleitfähigkeit. Die Konsequenz der Verwen
dung von Kunststoff-Pumpgehäusen ist, daß die beim Betrieb der
Pumpe abgeführte Wärmeleistung in Relation zu Pumpgehäusen aus
Metall gleicher Dicke klein ist und die Pumpe als Folge nur
mit kleiner Leistung betrieben werden darf, um eine Überhit
zung zu vermeiden. Der Nachteil kann übergangen werden, indem
die Gesamtdicke der Pumpgehäuse sehr klein gewählt wird und
ein intensiver Wärmekontakt zu einem Grundsubstrat hoher Wär
meleitfähigkeit evtl. Kühlkörper hergestellt wird. Eine Ver
ringerung der Schichtdicke kann durch die Wahl der Abformpara
meter, durch eine Nachbearbeitung mit Hilfe einer Ultrafräse
oder durch einen Plasma-Ätzschritt vorgenommen werden. Die
Bohrungen für Fluideingang und -ausgang (5, 7 in Fig. 1),
Klebstoff-Zuführung und Entlüftung (20, 21, 22, 23 in Fig.
1), sowie die Löcher zur elektrischen Durchkontaktierung wur
den noch nicht im Design der Formeinsätze berücksichtigt, son
dern nachträglich mit Spiralbohrern der Durchmesser 0.45 mm
und 0.65 mm gebohrt.
Kernstück der Mikropumpe ist eine Polyimid-Folie mit direkt
aufgebrachter Heizwendel. Die Polyimid-Folie, die für eine
große Anzahl von Einzelpumpen mit einer einzigen Maske litho
graphisch strukturiert wird, übernimmt sowohl die Aufgabe der
einzelnen Pump-Membranen als auch der Ventil-Membranen. Auf
die Polyimid-Folie wurde mit Verfahren der Dünnschichttechnik
eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht, die im Bereich
der einzelnen Pumpmembranen zu Heizwendeln strukturiert wurde.
Die Kontaktflächen für den elektrischen Anschluß der Heizwen
deln lagen dabei jeweils außerhalb der Pumpmembrane. Der Herstellungsprozeß
der strukturierten Polyimid-Folie und der
Heizwendeln soll nun am Beispiel der hergestellten Pumpen nä
her erläutert werden (siehe Fig. 8). Als Trägersubstrat für
die Dünnfilm-Prozesse wurde eine Siliziumscheibe Wafer mit ei
nem Durchmesser von 100 mm verwendet. Da die Folie nach der er
sten Verklebung vom Wafer getrennt werden muß, wurde eine
dünne Gold-Trennschicht 27 auf den Wafer aufgesputtert Fig.
8a. Ein Rand 33 von 5 mm wurde dabei während des Sputterpro
zesses rund um den Wafer herum abgedeckt, um dort die Haftung
des Polyimid zum Silizium-Substrat beizubehalten und dadurch
ein vorzeitiges Ablösen der Polyimid-Folie vom Wafer zu ver
hindern. Anschießend (Fig. 8b) wurde eine Polyimid-Schicht 28
des fotostrukturierbaren Polyimides Probimide 408 von CIBA-
GEIGY mit einer Lackschleuder auf eine Dicke von 3 µm aufge
schleudert und in einem Temperschritt getrocknet. Die getrock
nete Lackschicht wurde anschließend im Kontaktverfahren mit
UV-Licht 34 belichtet. Da das verwendete Polyimid ein Nega
tivlack ist, sorgte die dazu verwendete Chrom-Maske 29 für
eine Belichtung der Bereiche, in denen eine Polyimid-Folie er
halten bleiben sollte, und für eine Abdeckung der Bereiche,
die bei der Entwicklung herausgelöst werden sollten. Letztere
sind die Löcher der Ventile 15 und verschiedene Justiermarken.
Es folgte die Entwicklung des Polyimides und ein Postbake im
Vakuumofen Fig. 8c.
Nach der Strukturierung des Polyimids wurde eine Titan-Schicht
30 durch Magnetronzerstäubung in einer Dicke von 2 µm aufge
bracht, um daraus Heizwendeln 15 zu strukturieren, die eine
gute Haftung zum Polyimid besitzen. Die Titan-Schicht 30 wurde
lithographisch durch den Positivlack AZ42.10 und durch einen
anschließenden Ätzprozeß in einer flußsäurehaltigen Lösung
strukturiert. Die Belichtung des verwendeten Photolacks
wurde dabei justiert anhand der Justiermarken in der Polyimid-
Schicht und anhand von Justiermarken auf der Maske zur Struk
turierung der Titan-Schicht vorgenommen. Fig. 8e zeigt den
auf dem Hilfssubstrat befindlichen fertigen Membranaufbau.
Bei der Herstellung der Titanschicht wurden die Sputterparame
ter (Temperatur, Biasspannung, Gasfluß und die das Plasma er
zeugende elektrische Leistung) so eingestellt, daß sich eine
innere Zugspannung im Titan ausbildete. Die Heizwendeln stan
den deshalb nach der Titanschicht ebenfalls unter Zugspannung.
Nach der Ablösung des Verbundes von Heizwendeln 4 und Polyi
midmembran 3 von der Siliziumscheibe 26 zog sich das Titan,
welches einen sehr viel höheren Elastizitätsmodul als Polyimid
hat, mitsamt der Polyimid-Folie zusammen. Die Polyimid-Folie
wurde dabei gestaucht. Durch die Formgebung der aufgebrachten
Heizwendeln wurde erreicht, daß die Pumpenmembran nicht nur
zugspannungsfrei war, sondern schlaff durchhing. Für die Aus
lenkung einer solchen schlaffen Pumpenmembran braucht fast
keine Energie aufgewendet zu werden. Gestaltet man die
Heizwendel als Doppelspirale, so führt die Spannungsreduzierung
der Heizspirale nach dem Loslösen vom Substrat zur Reduzierung
ihrer Länge, was nach geometrischen Gesetzen dazu führt, daß
die innen gelegenen Bereiche der Polyimid-Membrane eine im
Verhältnis zu den elastischen Materialdehnungen große radiale
Verschiebung zum Zentrum hin erfahren. Diese Verschiebung
führt zur Wölbung der Membrane. Eine Wölbung einer Membrane
läßt sich auch erreichen, indem beliebige andere Strukturen
tangentialer Orientierung um die Membran herum oder in der
Membran angebracht sind. Bei den Strukturen kann es sich um
geschlossene oder unterbrochene Kreise, um geschlossene oder
unterbrochene Polygonzüge oder spiralförmig angeordnete ge
schlossene oder unterbrochene Polygonzüge handeln.
Die direkt auf die Heizwendel aufgebrachte Heizwendel hat zwei
wesentliche Vorteile. Zum einen ist der Wärmeübergang auf das
Pumpengehäuse in der Aufheizphase minimiert. Zum zweiten wird
bei Verwendung einer niedrig siedenden Flüssigkeit als Aktor
medium die Rekondensation des Aktormediums durch das ge
förderte Medium an der Stelle der Heizwendel eingeleitet. Da
durch wird erreicht, daß am Beginn der nächsten Aufheizphase
die Heizwendel in optimalem Wärmekontakt mit der Aktorflüs
sigkeit steht.
Anstelle von Polyimid als Membranmaterial können auch andere
Kunststoffe oder Metalle verwendet werden, wobei bei Metall
membranen eine zusätzliche elektrisch isolierende Schicht zwi
schen Membrane und Heizwendel vorzusehen ist.
Die so fertiggestellten Einzelkomponenten Pumpgehäuseoberteil,
Pumpgehäuseunterteil und Polyimid-Membrane mit Titan-Heizwen
deln konnten auf Fehler untersucht werden und standen nun zur
Verklebung bereit. Die drei Einzelkomponenten wurden durch
zwei Klebevorgänge (Fig. 7) der beschriebenen Art miteinander
verklebt. Dazu wurde eine einfache Vorrichtung 35 geschaffen,
in die die Klebepartner eingelegt, zueinander justiert und an
schießend gegeneinander verspannt wurden. Im ersten Klebevor
gang wurde die auf dem Silizium-Substrat 26 befindliche Poly
imid-Folie mit dem Pumpgehäuse-Oberteil 1, welches u. a. die
Aktorkammer und sämtliche Pumpen-Anschlüsse enthält, verklebt
(Fig. 7a-c). Um noch eine weitere Spannungsreduzierung in den
freien Membranbereichen der Mikropumpen zu erhalten, wurden
Justierung, Verspannung und Klebstoff-Befüllung bei etwa
100°C vorgenommen. Da die Pumpengehäuse aus PSU bzw. PVDF
einen sehr viel höheren Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten
als das Silizium-Substrat haben, wurden schon die lateralen
Abmessungen der Klebepartner so aufeinander abgestimmt, daß
sie erst nach einer gemeinsamen Erwärmung auf 100°C vollkom
men paßgenau sind. Bei Raumtemperatur sind die Struktur-Abmes
sungen der Membrane und der Heizwendeln auf dem Substrat 26
größer als die korrespondierenden Abmessungen der Pumpenge
häuse. Kühlen die Klebepartner nach erfolgter Verklebung wieder
auf Raumtemperatur ab, dann sorgt die Kontraktion der Kunst
stoff- Pumpgehäuse für eine Stauchung der Membranen.
Nach einer vollständigen Aushärtung der Verklebung bei 150°C
wurden der Wafer mit dem zusammenhängenden, aufgeklebten Pum
pengehäuseoberteil 1 der Verspannvorrichtung 35 entnommen und
die Polyimid-Folie rund um das rechteckige Kunststoffteil ein
geschnitten. Mit fortschreitender Abkühlung löste sich die
Polyimid-Folie vom eingeschnittenen Rand beginnend und unter
stützt durch die abkühlungsbedingte Kontraktion des Kunst
stoffteils 1 selbständig von der Siliziumscheibe (Fig. 7d).
Im zweiten Klebeschritt wurde schließlich noch in gleicher
Weise das Pumpgehäuse-Unterteil 2 mit der Membran-Seite ver
klebt (Fig. 7e und 7f). Um die Pumpen in Betrieb zu nehmen,
wurden die notwendigen elektrischen und fluidischen Anschlüsse
angebracht und die Pumpen vereinzelt.
Die Pumpen wurden mit einer elektrischen Spannung von 15 V und
einer Frequenz von 3 Hz betrieben. Die Spannung wurde für je
weils 58 ms angelegt. Die durchschnittlich zugeführte Leistung
betrug 0.27 W. Es wurde eine Förderrate für Luft von 26 ml/min
gemessen. Deutlich konnte dabei die Auslenkung der Pumpmembran
3 bis an den Boden der Pumpkammer 16 mit dem bloßen Auge er
kannt werden und das mit der Bewegung der Pumpmembrane syn
chronisierte Öffnen und Schließen der Ventilmembranen im Mi
kroskop beobachtet werden.
Claims (6)
1. Mikromembranpumpe bestehend aus einem Pumpgehäuse-Oberteil,
einem Pumpgehäuse-Unterteil, zwischen diesen beiden Teilen
angeordneten Membranen, welche zusammen eine Pumpkammer,
zwei Ventile und Strömungskanäle bilden, wobei die Membrane
im Bereich einer Pumpkammer eine Pumpmembran bildet und
Membranen im Bereich der Ventile jeweils einen Teil der
Ventilfunktion übernehmen und einem Antrieb für die Pump
membran, gekennzeichnet durch ein Heizelement (4), welches
mit der Pumpmembran (3) verbunden ist.
2. Mikromembranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Heizelement (4) eine elektrisch beheizbare Heizwen
del ist.
3. Mikromembranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Pumpenmembran und die Ventilmembranen
Teile einer einzigen zusammenhängenden Struktur sind.
4. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ventile aus Ventilsitzen (10, 14),
welche in die beiden Pumpgehäuseteile (1, 2) hineinstruktu
riert sind und aus Löchern (11, 15) in der Membrane gebil
det werden.
5. Verfahren zur Herstellung von Mikromembranpumpen nach einem
der Ansprüche 1 bis 4, wobei die beiden Pumpgehäuseteile
jeweils ein oder mehrere miteinander verbundene Graben
systeme aufweisen, welche zur Membrane hin offen sind, mit
folgenden Verfahrensschritten:
- a) Justieren eines oder beider Pumpgehäuseteile (1, 2) und der Membrane (3) und Zusammenpressen der justierten Teile derart, daß aus den Grabensystemen und der Mem brane zusammenhängende, in sich dichte Hohlraumsysteme entstehen und
- b) vollständiges Befüllen der Hohlraumsysteme mit einem Klebstoff.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß meh
rere Pumpen gleichzeitig hergestellt werden.
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