DE4422743A1 - micropump - Google Patents

micropump

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DE4422743A1
DE4422743A1 DE19944422743 DE4422743A DE4422743A1 DE 4422743 A1 DE4422743 A1 DE 4422743A1 DE 19944422743 DE19944422743 DE 19944422743 DE 4422743 A DE4422743 A DE 4422743A DE 4422743 A1 DE4422743 A1 DE 4422743A1
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Abstract

Known micropumps are characterised by a relatively complex design that in general is difficult to produce and mount. In addition, the pump capacities they can achieve are limited. A new micropump should have a more simple design that is easier to manufacture in series and should allow higher pump rates thanks to improved dynamic properties. For that purpose, at least two dynamic microvalves (5) are used to rectify an alternating current generated by a driving oscillator (4). The microvalves substantially consist of a microchannel the cross-section of which continuously diminishes in the flow direction up to its narrowest spot. Moving mechanical parts are not required, so that the dynamic microvalves may be produced in the most simple manner, for example in silicon. The simple hydraulic system of the micropump allows high working frequencies and thus high pump rates. This micropump is useful above all in microsystem technology, for example as driving element in microhydraulic or micropneumatic systems.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe. The invention relates to a micropump.

Die Mikropumpe hat dynamische passive Ventile und dient besonders zur Förde rung von Gasen und Flüssigkeiten. The micro pump has dynamic passive valves and is used particularly for conveying tion of gases and liquids. Sie ist sehr vorteilhaft mit bekannten Halblei tertechnologien herstellbar und für den Einsatz in integrierten Mikrosystemen ge eignet. It is very beneficial tertechnologien produced with known semiconducting and ge for use in integrated microsystems is.

Stand der Technik State of the art

Aus der NL-PS 8302860 ist bereits eine Mikropumpe auf Siliziumbasis bekannt die im wesentlichen aus drei identischen piezoelektrisch angetriebenen Ventilele menten, welche strömungstechnisch in Reihe angeordnet sind, besteht. From the NL-PS 8302860 a micropump on a silicon base is already known, the identical essentially of three piezoelectrically driven Ventilele elements which are fluidically arranged in series, there is. Beim Öff nen und Schließen dieser aktiven Ventile, verrichtet die sich durchbiegende Mem bran Volumenarbeit und erzeugt einen entsprechenden Druck auf das Fluid. When Publ nen and closing of these valves active, which flexing Mem bran performs expansion work and generates a corresponding pressure on the fluid. Wer den die einzelnen Ventile in einem geeigneten Dreiphasentakt angesteuert, so erfährt das Fluid eine Beförderung in eine bestimmte Richtung, die durch die peri staltische Welle bestimmt ist. Who to the individual valves driven in a suitable three-phase clock, the fluid undergoes a carriage in a certain direction, which is determined by the peri staltische shaft.

Eine andere Mikropumpe, ebenfalls für die Systemintegration geeignet, wird in der CH-PS 04055189 vorgestellt. Another micro-pump, also suitable for system integration, is presented in CH-PS 04055189th Sie enthält eine piezoelektrisch angetriebene Mem bran, welche das zu fördernde Fluid periodisch unter Druck setzt. It contains a piezoelectrically driven Mem bran, which is the fluid to be delivered under pressure periodically. Zwei passive Mikroventile am Ein- bzw. Ausgang der Pumpe richten diesen Wechseldruck gleich und legen damit die Strömungsrichtung fest. Two passive microvalves at the inlet and outlet of the pump address this variable pressure and thus create the same flow direction fixed. Das Arbeitsprinzip entspricht strukturell der klassischen Kolbenpumpe. The working principle corresponds structurally to the classic piston pump.

Beiden beschriebenen Mikropumpen ist der relativ komplizierte mechanische Auf bau gemein, der den Einsatz der Mikrotechnologien erschwert und die Herstel lungskosten erhöht. Two micro pumps described, the relatively complex mechanical construction to be in common, which complicates the use of the micro technologies and increases the development costs herstel. Insbesondere ist ein stark strukturiertes hydraulisches Lei tungssystem durch Mehrfach-Lithographie, verbunden mit einer entsprechenden Anzahl von Ätzprozessen, zu realisieren. In particular, a highly structured hydraulic Lei is to realize processing system by multiple-beam lithography, combined with a corresponding number of etching processes. Außerdem ist das Fügen der verschiede nen Schichten zu einem Sandwich mit einigen technologischen Schwierigkeiten verbunden. In addition, the joining of the Various NEN layers is connected to a sandwich with some technological difficulties. Schließlich nehmen die Mikropumpen, bedingt durch das Funktions prinzip, eine relativ große Fläche auf dem Trägersubstrat ein. Finally, the micro-pumps take, due to the function principle, a relatively large area on the carrier substrate. Dem stehen zwar die hohe Dosiergenauigkeit und ein relativ hoher Pumpdruck, jedoch auch eine vergleichsweise geringe Förderleistung gegenüber, welche unter anderem durch die hohen Strömungswiderstände zu erklären ist und die im Zusammenhang mit den relativ großen Totvolumina zu recht beachtlichen Passierzeiten der durchströ menden Fluide führt. The while, however, a relatively small capacity are the high metering accuracy and a relatively high pump pressure, opposite which is to explain, among other things by the high flow resistance and leads in connection with the relatively large dead volumes rightly considerable Passierzeiten the durchströ Menden fluids.

Aus der DE-PS 42 23 019 ist eine ventillose Mikropumpe bekannt, die durch eine Aktorvorrichtung, im allgemeinen eine schwingende Membran, ebenfalls eine peri odische Druckeinprägung auf das strömende Medium bewirkt. From DE-PS 42 23 019 a valveless micro pump is known, which caused by a actuator device, generally a vibrating membrane, also a peri odic Druckeinprägung to the flowing medium. Jedoch erfolgt die Gleichrichtung partiell durch eine in strömungstechnischer Hinsicht anisotrope Struktur ohne jegliche bewegte mechanische Funktionselemente. However, the rectification is carried out partially by an anisotropic in fluid respects structure without any moving mechanical functional elements. Als anisotrope Struktur wird unter anderem ein ansonsten nicht näher bezeichneter spaltartiger Bereich genannt, der sägezahnartig ausgeführt ist. As an anisotropic structure is called, among other things, an otherwise unspecified gap-like region which is executed sawtooth. Dessen Herstellung mit den Mikrotechnologien gestaltet sich jedoch kompliziert, da die Sägezahnform nicht zwangsläufig mit der Kristallstruktur des Substratmaterials zusammenfallen muß und sich dadurch der Einsatz anisotroper Ätzverfahren erschwert. However, its production with the micro-technologies is complicated, because the sawtooth must coincide with the crystal structure of the substrate material and thereby not necessarily complicates the use of anisotropic etching process. Das vorgeschla gene Ausführungsbeispiel, dessen sägezahnartige Geometrie durch die Anord nung zweier V-förmiger spaltartiger Strukturen hintereinander realisiert ist, erfor dert bei den angegebenen Abmessungen im Mikrometerbereich jedoch kostspieli ge Präzisionsfügeverfahren. However, the pre-suppression genes embodiment, the sawtooth-like geometry is realized by the voltage Anord two V-shaped gap-like structures behind the other, requires that it kostspieli ge precision joining process at the indicated dimensions in the micrometer range.

Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention

Die erfindungsgemäße Mikropumpe entsprechend Anspruch 1 hat gegenüber den soeben gewürdigten Anordnungen den Vorteil einer sehr einfachen geometrischen Struktur, die durch wenige mikrotechnologische Verfahren unkompliziert herstell bar ist. The micro-pump of the invention according to claim 1 has the advantage of a very simple geometric structure by a few micro-technological process easily producible bar in relation to the just acknowledged orders. Die notwendigen Fügeschritte sind dabei nach Anzahl und erforderlicher Genauigkeit auf ein Minimum reduzierbar. The necessary joining steps are reduced to a minimum the number and the required accuracy. Dadurch ist die Mikropumpe für die preiswerte Massenherstellung besonders geeignet. Thus, the micro-pump for low-cost mass production is particularly suitable. Vor allem gegenüber den bei den zuerst gewürdigten Schriften ist der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Mi kropumpe deutlich verringert. Especially compared to the first acknowledged in the writings of the space required by the Mi invention is kropumpe significantly reduced.

Andererseits bewirkt die einfache Geometrie der erfindungsgemäßen Mikropumpe eine Optimierung des fluidodynamischen Systems, wodurch sich die maximal mögliche Arbeitsfrequenz, Volumenstrom und Pumpdruck erhöhen. On the other hand, the simple geometry of the micropump according to the invention brings about an optimization of the fluid-operated system, which increases the maximum operating frequency, volume flow and pump pressure.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Mikropumpe sieht wenigstens zwei dy namische passive Mikroventile vor, welche aus einem Mikroströmungskanal mit pyramidenstumpfförmiger Geometrie bestehen. A particularly advantageous embodiment of the micro-pump provides at least two dy namic passive microvalves, which consist of a micro flow channel having truncated pyramidal geometry. Damit verringert sich der Kanal querschnitt entlang der Symmetrieachse in der einen Richtung kontinuierlich bis zu seiner engsten Stelle, um sich dann plötzlich zu erweitern. Thus, the channel continuously reduced cross-section along the symmetry axis in one direction until its narrowest point, and then suddenly expand. Diese Form des Mikroströmungskanals bewirkt, daß sein Strömungswiderstand bei genügend ho hen Strömungsgeschwindigkeiten von der Strömungsrichtung abhängt. This form of the micro flow channel causes its flow resistance is dependent at sufficiently ho hen flow rates of the flow direction.

Der beschriebene Mikrokanal ist demzufolge in der Lage, eine alternierende Strö mung nach dem Prinzip "zwei Schritte vorwärts - einen Schritt zurück" partiell gleichzurichten, wodurch ein Nettovolumenstrom in einer bevorzugten Strömungs richtung bewirkt wird. The microchannel described is therefore capable of an alternating Strö mung according to the "two steps forward - one step back" partially rectify, whereby a net flow is effected in a preferred direction of flow. Da dieser Effekt nur bei höheren Geschwindigkeiten auftritt wird er als dynamisches Mikroventil bezeichnet. Since this effect occurs only at higher speeds it is called a dynamic micro valve.

Derartige dynamische Mikroventile sind in einer Mikropumpe gemäß Patent anspruch 1 eingesetzt. Such dynamic microvalves are in a micropump according to claim 1 is used.

Zeichnung drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention are illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description.

Es zeigen Show it

Fig. 1 eine Perspektivdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Mikropumpe, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 1-1 in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 sowie Fig. 4 bis Fig. 7 ein zweites bis fünftes Ausführungsbeispiel einer Mikropumpe. Fig. 1 is a perspective view of a first embodiment of a micro-pump, FIG. 2 is a section taken along the line 1-1 in Fig. 1, Fig. 3 is a section taken along the line 2-2 in FIG. 1 and FIG. 4 to FIG. 7 a second-fifth embodiment of a micropump.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of Embodiments

Die erfindungsgemäße Mikropumpe besteht aus einer im wesentlichen geschlos senen Pumpkammer 3 , die mit dem zu fördernden Fluid gefüllt ist und welcher durch eine geeignete Antriebsvorrichtung 4 eine periodische Druck- und Volumen änderung aufgeprägt wird. The micropump according to the invention consists of a substantially closed-end pump chamber 3 which is filled with the fluid to be conveyed and which is imparted by a suitable driving device 4, a periodic pressure and volume change. Weiterhin enthält die Mikropumpe mindestens zwei der beschriebenen dynamischen Mikroventile 5 , die in Form von Strömungskanälen als Ein- bzw. als Auslaßöffnung der Pumpkammer 3 dienen. Furthermore, the micro-pump includes at least two of the dynamic microvalves described 5 serving as flow channels as inputs or as outlet opening of the pump chamber. 3

Die Mikropumpe zeichnet sich insbesondere durch ihren sehr einfachen Aufbau aus, der sich zum Beispiel sehr vorteilhaft mit allgemein bekannten Mikrotechnolo gien wie Photolithographie und anisotropes Ätzen auf der Basis von Silizium und Glas herstellen läßt. The micro-pump is particularly characterized by its very simple structure, which is very advantageous, for example using generally known Mikrotechnolo technologies as photolithography and anisotropic etching on the basis of silicon and glass can be produced.

So können die dynamischen Mikroventile 5 in einem <100<-orientierten Silizium wafer dergestalt realisiert werden, daß, ausgehend von einer genügend großen Öffnung in der Ätzmaske, der Materialabtrag mittels eines anisotropen Ätzlösung wie KOH über die vollständige Waferdicke voranschreitet. Thus, the dynamic microvalves can be realized in a 5 <100 <-oriented silicon wafer in such a way that, starting progresses from a sufficiently large opening in the etch mask, the material removal means of an anisotropic etching solution such as KOH through the full wafer thickness. Der dabei entstehende Kanal wird seitlich durch vier kristallographische <111<-Flächen begrenzt, wo durch sich seine pyramidenstumpfförmige Geometrie ergibt. The resulting channel is laterally delimited by four crystallographic <111 <faces, which is given by his truncated pyramidal geometry. Die jeweils gegen überliegenden <111<-Flächen schließen hierbei einen Winkel von etwa 70° ein. The respective opposite <111 <faces include in this case an angle of about 70 °. Eine Linie 14 , welche in der Mitte in Hauptströmungsrichtung verläuft, stellt die Symmetrieachse des dynamischen Mikroventils 5 dar. Sie steht senkrecht auf der Waferoberfläche. A line 14, which runs in the center in the main flow direction, represents the axis of symmetry of the dynamic micro valve 5. It is perpendicular to the wafer surface. Durch Anwendung der Doppelseitenlithographie auf einem zwei seitig polierten Wafer 6 können die für den Ein- bzw. Auslaß bestimmten dynami schen Mikroventile 5 in einer antiparallelen Anordnung auf einem gemeinsamen Substrat in einem Technologiegang hergestellt werden. By applying the double page lithography on a two-side polished wafer 6 intended for the inlet and outlet Dynami rule microvalves 5 can be prepared in an anti-parallel arrangement on a common substrate in a technology transition.

Für die Antriebsvorrichtung 4 ist vor allem eine Membran 7 geeignet, die elektro magnetisch, elektrostatisch, pneumatisch oder piezoelektrisch angeregt wird und mit dem Doppelpfeil 16 bezeichnete Biegeschwingungen ausführt. For the drive device 4, especially a membrane 7 which is electro-magnetically excited electrostatically, pneumatically or piezoelectrically and executes indicated by the double arrow 16 bending vibrations is suitable. Der piezoelek trische Antrieb kann günstigerweise durch einen Bimorph erfolgen. The piezoelek tric drive can conveniently be done by a bimorph.

Die Pumpkammer 3 ist durch geeignete Mikrotechnologien in einem Element 10 11 , 11 a bzw. 11 b und 11 c festgelegt. The pump chamber 3 is by means of suitable micro-technologies in an element 10 11, 11 a and 11 b and 11 c defined. Dies kann beispielsweise durch Photolitho graphie mit einem anschließenden Ätzschritt in Silizium oder Glas als Ausgangs material geschehen. This can chromatography with a subsequent etching step in silicon or glass happen as the starting material for example by Photolitho. Bei Verwendung eines entsprechenden Ätzstoppverfahrens kann der Materialabtrag vor der vollständigen Durchdringung des Elementes 10 abgebrochen werden, wodurch die Membran 7 der Antriebsvorrichtung 4 entsteht. When using an appropriate etching method, the material removal prior to the complete penetration of the element 10 can be canceled, whereby the diaphragm 7 of the drive device 4 is formed. Als ein solcher Ätzstopp sollen auch spezielle, auf dem Ausgangsmaterial des Elementes 10 vorher aufgebrachte Schichten, wie zum Beispiel Siliziumoxid oder Siliziumnitrid auf einem Siliziumträger, verstanden werden, an denen der Ätzvor gang zum Erliegen kommt und die durch den Materialabtrag freigelegt werden und damit die Membran 7 festlegen. As such an etch stop are also special, 10 previously applied layers, such as silicon oxide or silicon nitride on a silicon substrate to be understood, where transition of the Ätzvor comes on the starting material of the element to a standstill, and are exposed by the removal of material and the membrane set seventh

Die Pumpkammer 3 ist auf einer der Antriebsvorrichtung 4 abgewandten Seite 12 durch den Wafer 6 , welcher die dynamischen Mikroventile 5 enthält und der mit dem Element 10 , 11 , 11 a bzw. 11 c verbunden ist, geschlossen. The pump chamber 3 is closed on one side facing away from the drive device 4 12 by the wafer 6, which contains the dynamic micro-valves 5 and which is connected to the element 10, 11, 11 a and 11 c.

Das die Pumpkammer 3 enthaltende Element 11 , 11 a bzw. 11 b und 11 c kann auf einer dem Wafer 6 abgewandten Seite 13 an sich offen sein, realisiert zum Bei spiel durch einen das Element 11 , 11 a bzw. 11 b und 11 c vollständig durchlaufen den Ätzschritt. The element the pump chamber 3 containing 11, 11 a and 11 b and 11 c may be based on the wafer 6 side remote 13 itself be open, realized for the case of a game by the element 11, 11 a and 11 b and 11 c completely through the etching step. Die Membran 7 wird dann als dünnes Material oder Folie 15 mit geeigneten Fügeverfahren auf dem Element 11 , 11 a bzw. 11 b befestigt, wodurch die Pumpkammer 3 geschlossen wird. The membrane 7 is then used as thin material or film 15 with suitable joining process on the element 11, 11 a and b, fixed 11, whereby the pumping chamber is closed. 3 Das ist zum Beispiel möglich, indem eine Glasfolie, welche die Membran 7 bildet, durch anodisches Bonden auf dem Ele ment 11 , 11 a bzw. 11 b aufgebracht wird. This is possible, for example, by providing a glass film which constitutes the membrane 7, by anodic bonding to the ele ment 11, 11 a or 11 b is applied.

Typische Abmessungen der erfindungsgemäßen dynamischen Mikropumpe betra gen für: Typical dimensions of the dynamic micropump Betra invention gen for:
den Querschnitt der dynamischen Mikroventile 5 an der engsten Stelle zwischen einem Mikrometer und fünfhundert Mikrometer, the cross-section of the dynamic micro-valves 5 at the narrowest point between one micron and five hundred microns,
die Ausdehnung der dynamischen Mikroventile 5 entlang der Symmetrieachsen 14 zwischen zehn Mikrometer und einem Millimeter, the expansion of the dynamic micro-valves 5 along the axes of symmetry 14 between ten micron and one millimeter,
die Dicke der Membran 7 zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter, the thickness of the membrane 7 between one micron and one millimeter,
die Ausdehnung der Membranfläche zwischen fünfhundert Mikrometer und zwan zig Millimeter und the expansion of the membrane surface between five hundred micrometers and tens of millimeters and zwan
die Pumpkammerhöhe senkrecht zu dem Wafer 6 zwischen zehn Mikrometer und fünf Millimeter. the pumping chamber height perpendicular to the wafer 6 between ten microns and five millimeters.

Die typische Schwingfrequenz der Membran 7 liegt zwischen einhundert Hertz und zwanzig Kilohertz. The typical oscillation frequency of the diaphragm 7 is between one hundred Hertz and twenty kilohertz.

Die Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel. The Fig. 1 through Fig. 3 show a first embodiment.

Die dynamischen Mikroventile 5 sind in einer antiparallelen Anordnung in dem zweiseitig polierten Silizium-Wafer 6 realisiert. The dynamic micro-valves 5 are realized in an anti-parallel arrangement in the two-sided polished silicon wafer. 6 Das Element 10 , welches auf der der Membran 7 abgewandten Seite 12 fest mit dem Wafer 6 verbunden ist, ent hält die Pumpkammer 3 , die durch einen anisotropen Ätzschritt erzeugt wird und eine pyramidenstumpfförmige Geometrie aufweist. The element 10, which is on the side facing away from the membrane 7 12 fixedly connected to the wafer 6, ent holds the pump chamber 3, which is produced by anisotropic etching and having a frusto-pyramidal geometry. Durch ein Ätzstoppverfahren bleibt ein dünner Materialrest auf einer den dynamischen Mikroventilen 5 abge wandten Seite der Pumpkammer 3 stehen, der die Membran 7 bildet. By an etch-stop material, a thin residue remains on a dynamic micro-valves 5 abge side facing the pump chamber 3 are forming the membrane. 7 Die Mem bran 7 , welche Bestandteil der ansonsten nicht näher bezeichneten Antriebsvor richtung 4 ist, führt mit dem Doppelpfeil 16 gekennzeichnete Biegeschwingungen aus. The Mem bran 7, which part of the Antriebsvor designated otherwise unspecified direction is 4, performs the double arrow 16 marked bending vibrations.

In der Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Mikropumpe dargestellt, de ren Pumpkammer 3 in dem Element 11 durch einen anisotropen Ätzschritt festge legt ist und eine pyramidenstumpfförmige Geometrie aufweist. In FIG. 4, a second embodiment of the micropump shown, de ren pump chamber 3 in the element 11 by an anisotropic etching step Festge sets and has a truncated pyramidal geometry. Das Element 11 ist auf der Seite 13 mittels der als Membran 7 dienenden Folie 15 , die auf dem Ele ment 11 befestigt ist, verschlossen. The element 11 is mounted on the side 13 by means of the foil 7 serving as the diaphragm 15, the management on the Ele 11 closed.

Das in Fig. 5 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel der Mikropumpe unterscheidet sich von dem vorhergehenden insoweit, daß die Pumpkammer 3 durch das modi fizierte Element 11 a anstelle des Elementes 11 ein geringeres Totvolumen auf weist. The third embodiment of the micropump shown in Figure 5. Differs from the previous insofar that the pump chamber 3 by the modi fied element 11 a instead of the element 11 has a lower dead volume. Das Element 11 a enthält zwei Teilstrukturen 17 und 18 mit unterschiedlich großer Querschnittsfläche, deren einander zugewandte Stirnflächen innerhalb des Elementes 11 a teilweise zusammenfallen, wobei die größere Teilstruktur 17 mit der Membran 7 und die kleinere Teilstruktur 18 mit dem die dynamischen Mikro ventile 5 enthaltenden Wafer 6 in direkter Verbindung steht. The element 11a comprises two sub-structures 17 and 18 with different-sized cross-sectional area, which coincide mutually facing end faces within the element 11 a part, wherein the greater part of structure 17 with the diaphragm 7 and the smaller part of structure 18 with the valves, the dynamic micro 5 containing wafer 6 is in direct connection. Das Element 11 a kann zum Beispiel dadurch hergestellt werden, daß nach einer Doppelseitenlitho graphie mit jeweils unterschiedlicher Maskengröße ein anisotroper Ätzprozeß von den Seiten 12 und 13 her soweit voranschreitet, bis sich die Ätzfronten treffen. The element 11 a can be prepared, for example in that after a chromatography Doppelseitenlitho each having a different mask size, an anisotropic etching process from the sides 12 and 13 forth so far progresses, to meet the etching fronts.

Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Mikropumpe, welches dem vorher gehenden in der relativen Verringerung des Totvolumens der Pumpkammer 3 ent spricht. Fig. 6 shows a fourth embodiment of the micropump, which speaks to the preceding ent in the relative reduction of the dead volume of the pump chamber 3. Die Pumpkammer 3 ist durch das Teilelement 11 b, welches einen Durch bruch mit einer größeren Querschnittsfläche enthält, und das Teilelement 11 c, welches einen Durchbruch mit einer kleineren Querschnittsfläche enthält, anstelle des Elementes 11 a festgelegt, wobei das Teilelement 11 b mit der Membran 7 und das Teilelement 11 c mit dem Wafer 6 in Verbindung steht und beide Teilelement 11 b und 11 c an einer Fügefläche 19 fest miteinander verbunden sind. The pump chamber 3 is defined by the partial element 11b containing a breakdown with a larger cross-sectional area, and the part member 11 c, which contains an aperture having a smaller cross-sectional area set in place the element 11a, said member element 11b with the membrane 7 and the partial element 11 c is connected to the wafer 6 and the two part element 11 b and 11 c are joined at a joining surface 19 to each other.

In dem in Fig. 7 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel der Mikropumpe ist die Antriebsvorrichtung 4 durch die Membran 7 und ein Piezoelement 9 festgelegt, wobei das Piezoelement 9 auf der Membran 7 angeordnet ist und mit dieser eine Bimorph-Struktur bildet. In the example shown in Fig. 7 fifth embodiment of the micropump, the driving device 4 through the membrane 7 and a piezoelectric element is set to 9, wherein the piezoelectric element 9 is arranged on the membrane 7, forming a bimorph structure therewith. Das Piezoelement 9 ist entweder ein Piezoplättchen, wel ches auf der Membran 7 zum Beispiel durch eine Klebeverbindung befestigt ist, oder in der integrierten Form um eine mit bekannten Mikrotechnologien physika lisch-chemisch auf der Membran 7 abgeschiedene und nachfolgend strukturierte piezoelektrisch aktive Schicht. The piezoelectric element 9 is either a piezo plate, wel ches is fixed on the membrane 7, for example by adhesive bonding, or in the integrated form is a known micro-technologies physika lisch-chemically on the membrane 7 deposited and patterned subsequently piezoelectrically active layer.

Claims (20)

1. Mikropumpe, insbesondere für zu pumpende Gase und Flüssigkeiten, mit einer Antriebsvorrichtung ( 4 ), mit wenigstens einem Element ( 10 , 11 , 11 a, 11 b, 11 c), auf das eine periodische Druck- und Volumenänderung durch die Antriebsvorrich tung ( 4 ) aufprägbar ist, und mit einem auf der der Antriebsvorrichtung ( 4 ) abge wandten Seite ( 12 ) des Elements ( 10 , 11 , 11 a, 11 b, 11 c) angeordneten Wafer ( 6 ), dadurch gekennzeichnet, daß das Element ( 10 , 11 , 11 a, 11 b, 11 c) eine zur An triebsvorrichtung ( 4 ) hin geschlossene Pumpkammer ( 3 ) aufweist und der Wafer ( 6 ) wenigstens zwei dynamische Mikroventile ( 5 ) hat, wobei sich der Querschnitt wenigstens eines dynamischen Mikroventils ( 5 ) zum Element ( 10 , 11 , 11 a, 11 b, 11 c) hin verjüngt und sich der Querschnitt wenigstens eines dynamischen Mikro ventils ( 5 ) zum Element ( 10 , 11 , 11 a, 11 b, 11 c) hin vergrößert und die wenigstens zwei dynamischen Mikroventile ( 5 ) in direkter Verbindung mit der im Eleme 1. micro-pump, in particular for the pumping gases and liquids, with a drive device (4), with at least one element (10, 11, 11 a, 11 b, 11 c) on which a periodic pressure and volume change by the Antriebsvorrich tung (4) can be impressed, and a to which the drive device (4) abge facing side (12) of the element (10, 11, 11 a, 11 b, 11 c) arranged wafer (6), characterized in that the element (10, 11, 11 a, 11 b, 11 c) has a to an operating device (4) closed towards the pump chamber (3) and the wafer (6) at least two dynamic micro-valves (5), wherein the cross section of at least one dynamic micro-valve (5) to the element (10, 11, 11 a, 11 b, 11 c) tapers and the cross-section of at least one dynamic micro-valve (5) to the element (10, 11, 11 a, 11 b, 11 c) increased toward and at least two dynamic micro-valves (5) in direct connection with the in Eleme nt ( 10 , 11 , 11 a, 11 b, 11 c) vorgesehenen Pumpkammer ( 3 ) stehen. nt stand (10, 11, 11 a, 11 b, 11 c) provided in the pump chamber (3).
2. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamischen Mikroventile ( 5 ) eine pyramidenstumpfförmige Gestalt aufweisen. 2. A micropump according to claim 1, characterized in that the dynamic micro-valves (5) have a truncated pyramidal shape.
3. Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die pyramiden stumpfförmigen dynamischen Mikroventile ( 5 ) einen quadratischen oder rechtecki gen Querschnitt aufweisen. 3. A micropump according to claim 2, characterized in that the pyramid frustum dynamic micro-valves (5) have a square or rectangular cross-section ecki gen.
4. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Pump kammer ( 3 ) festlegende Element ( 10 , 11 , 11 a, 11 c) auf einer der Antriebsvorrich tung ( 4 ) abgewandten Seite ( 12 ) offen ist und durch die Befestigung des die dyna mischen Mikroventile ( 5 ) enthaltenden Wafers ( 6 ) auf diesem Element ( 10 , 11 , 11 a, 11 c) verschlossen wird. 4. A micropump according to claim 1, characterized in that the pump chamber (3) defining element (10, 11, 11 a, 11 c) processing on one of the Antriebsvorrich (4) side facing away from (12) is open and through the attachment of the dyna mix micro-valves (5) containing the wafer (6) on this element (10, 11, 11 a, 11 c) is closed.
5. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvor richtung ( 4 ) eine Membran ( 7 ), welche die Pumpkammer ( 3 ) auf einer dem Wafer ( 6 ) abgewandten Seite abschließt, enthält. 5. A micropump according to claim 1, characterized in that the Antriebsvor device (4) comprises a membrane (7) which closes the pump chamber side (3) facing away from a said wafer (6).
6. Mikropumpe nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dynami schen Mikroventile ( 5 ) gegenüber der Membran ( 7 ) angeordnet sind und ihre Symmetrieachsen ( 14 ) senkrecht zur Oberfläche der Membran ( 7 ) verlaufen. 6. extend micropump according to claim 1 and 5, characterized in that the rule Dynami micro-valves (5) opposite the diaphragm (7) are arranged and their axes of symmetry (14) perpendicular to the surface of the membrane (7).
7. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpkammer ( 3 ) durch ein mehrteiliges Element ( 11 b, 11 c) dergestalt festgelegt ist, daß der Querschnitt der Pumpkammer ( 3 ) auf der dem Wafer ( 6 ) zugewandten Seite der Pumpkammer ( 3 ) geringer ist als auf der der Antriebsvorrichtung ( 4 ) zugewandten Seite der Pumpkammer ( 3 ). 7. A micropump according to claim 1, characterized in that the pump chamber (3) through a multi-part element (c 11 b, 11) is such set that the cross-section of the pump chamber (3) on the wafer (6) facing side of the pumping chamber (3) is less than that of the drive device (4) side facing the pump chamber (3).
8. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Pump kammer ( 3 ) festlegende Element ( 11 a) mindestens zwei Teilstrukturen ( 17 , 18 ) unterschiedlicher Größe enthält, so daß der Querschnitt der Pumpkammer ( 3 ) auf der dem Wafer ( 6 ) zugewandten Seite der Pumpkammer ( 3 ) geringer ist als auf der der Antriebsvorrichtung ( 4 ) zugewandten Seite der Pumpkammer ( 3 ). 8. A micropump according to claim 1, characterized in that the pump chamber (3) defining element (11 a) comprises at least two partial structures (17, 18) of different size, so that the cross section of the pump chamber (3) on the (the wafer 6) facing side of the pump chamber (3) is less than on the (drive device 4) side facing the pump chamber (3).
9. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamischen Mikroventile ( 5 ) in <100<-Silizium mittels Photolithographie und anisotropen Tiefe nätzens hergestellt sind, wobei der Materialabtrag jeweils nur von einer Richtung und durch den Wafer ( 6 ) hindurch erfolgt und jeweils zwei gegenüberliegende der die dynamischen Mikroventile ( 5 ) begrenzenden <111<-Flächen miteinander einen Winkel von ca. 70° einschließen. 9. A micropump according to claim 1, characterized in that the dynamic micro-valves (5) are made in the <100 <-silicon by photolithography and anisotropic depth nätzens, wherein each of the removal of material from only one direction and through the wafer (6) through and with each other each include two opposite of limiting the dynamic micro-valves (5) <111 <faces an angle of approximately 70 °.
10. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamischen Mikroventile ( 5 ) antiparallel auf dem Wafer ( 6 ) angeordnet und durch Doppelsei tenphotolithographie mit anschließendem gleichzeitigen anisotropen Ätzen aller dynamischen Mikroventile ( 5 ) hergestellt sind. 10. A micropump according to claim 1, characterized in that the dynamic micro-valves (5) arranged in anti-parallel on the wafer (6) and by tenphotolithographie Doppelsei are made, followed by simultaneous anisotropic etching of all dynamic micro-valves (5).
11. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen der dynamischen Mikroventile ( 5 ) an ihren engsten Stellen laterale Abmessungen zwischen einem Mikrometer und fünfhundert Mikrometer aufweisen und die Ausdehnung der dynamischen Mikroventile ( 5 ) entlang der Symmetrieachsen ( 14 ) zwischen zehn Mikrometer und einem Millimeter betragen. 11. A micropump according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cross-sectional areas of the dynamic micro-valves (5) at their narrowest points lateral dimensions between one micron and five hundred micrometers, and the extension of the dynamic micro-valves (5) along the axes of symmetry (14 ) be between ten micron and one millimeter.
12. Mikropumpe nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Pumpkammer ( 3 ) festlegende Element ( 10 , 11 , 11 a, 11 b, 11 c) durch Photolitho graphie und Ätzprozesse in einem Halbleitermaterial oder in Glas erzeugt ist. 12. A micropump according to claim 1 or 4, characterized in that the pump chamber (3) defining element (10, 11, 11 a, 11 b, 11 c) chromatography by Photolitho and etching processes is produced in a semiconductor material or in glass.
13. Mikropumpe nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem bran ( 7 ) elektrostatisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch oder pneumatisch der gestalt angetrieben wird, daß sie eine schwingende Biegebewegung ( 16 ) ausführt. 13. A micropump according to claim 1 and 5, characterized in that the Mem bran (7) which is driven shaping electrostatic, electromagnetic, piezoelectric or pneumatic, that it performs an oscillating bending motion (16).
14. Mikropumpe nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem bran ( 7 ) und das die Pumpkammer ( 3 ) festlegende Element ( 10 ) aus einem Stück hergestellt sind. 14. A micropump according to claim 1 and 5, characterized in that the Mem bran (7) and the pumping chamber (3) defining element (10) are made of one piece.
15. Mikropumpe nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem bran ( 7 ) aus einem dünnen Material oder einer Folie ( 15 ) besteht, welche durch ein Fügeverfahren auf das die Pumpkammer ( 3 ) festlegende Element ( 11 , 11 a, 11 b) aufgebracht ist. 15. A micropump according to claim 1 and 5, characterized in that the Mem bran (7) of a thin material or a foil (15), which defining by a joining process to which the pump chamber (3) element (11, 11 a, 11 b) is applied.
16. Mikropumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das die Pump kammer ( 3 ) festlegende Element ( 11 , 11 a, 11 b) aus Silizium und die Folie ( 15 ) aus Glas besteht und beide durch anodisches Bonden miteinander verbunden sind. 16. A micropump according to claim 15, characterized in that the defining the pump chamber (3) element (11, 11 a, 11 b) is made of silicon and the film (15) made of glass and both are connected to each other by anodic bonding.
17. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran ( 7 ) durch ein Piezoelement ( 9 ) angetrieben wird, welches auf der Membran ( 7 ) angeordnet ist und mit dieser eine Bimorph-Struktur bildet. 17. A micropump according to any one of claims 13 to 15, characterized in that the membrane (7) is driven by a piezo element (9) which is arranged on the membrane (7), forming a bimorph structure therewith.
18. Mikropumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Membran ( 7 ) in ihrer Fläche zwischen fünfhundert Mikrometer und zwanzig Millimeter beträgt und die Dicke der Membran ( 7 ) zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter beträgt. 18. A micropump according to claim 5, characterized in that the expansion of the membrane (7) is in its area between five hundred micrometers, and twenty millimeters and the thickness of the membrane (7) is between one micron and one millimeter.
19. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpkam mer ( 3 ) senkrecht zu dem Wafer ( 6 ) eine minimale Höhe zwischen zehn Mikrome ter und fünf Millimeter hat. 19. A micropump according to claim 1, characterized in that the Pumpkam mer (3) perpendicular to the wafer (6) has a minimum height of between ten Mikrome ter and five millimeters.
20. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvor richtung ( 4 ) mit einer Frequenz zwischen einhundert Hertz und zwanzig Kilohertz ansteuerbar ist. 20. A micropump according to claim 1, characterized in that the Antriebsvor direction (4) can be driven with a frequency of between one hundred hertz and twenty kilohertz.
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