DE602005001114T2

DE602005001114T2 - Pyrotechnisches mikrosystem und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE602005001114T2
Application number: DE602005001114T
Authority: DE
Inventors: Patrick Broyer; Bruno Colin; Denis Roller
Original assignee: Biomerieux SA; SNPE Materiaux Energetiques SA
Current assignee: Biomerieux SA; Safran Ceramics SA
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: WO2005075835A1; ATE362053T1; FR2865508A1; FR2865508B1; ES2286802T3; US7587977B2; EP1709335A1; JP2007519531A; DE602005001114D1; EP1709335B1; US20080041259A1

Description

Das technische Gebiet der Erfindung ist jenes der Mikrosysteme, in denen Mikrostellglieder vorgesehen sind, um mechanische, chemische, elektrische, thermische oder fluidische Funktionen zu erfüllen, für mikroelektronische Anwendungen wie Chips oder biomedizinische Anwendungen wie Analysechips, die das Mikrofluid oder das chemische System integrieren, wie die Mikroreaktoren.
Die Mikrostellglieder sind miniaturisierte Gegenstände, die Dimensionen in der Größenordnung eines Millimeters haben. Sie werden ausgeführt aus festen Trägern, die Halbleiter oder Isolatoren sein können mit dem Ziel, Mikrosysteme auszubilden, wie zum Beispiel Mikroventile oder Mikropumpen in Mikrofluidkreisläufen oder Mikroschalter in elektronischen Mikroschaltkreisen.
Mikrostellglieder unter Verwendung der elektrostatischen, piezoelektrischen, elektromagnetischen und bimetallischen Wirkungen existieren bereits seit einiger Zeit. Eine neue Generation von Mikrostellgliedern beginnt, in Erscheinung zu treten: jene, die pyrotechnische Wirkung verwenden. Die pyrotechnischen Materialien haben eine hohe Energiedichte, deren Verwendung in den Mikrostellgliedern ermöglicht es daher, beträchtlich die Abmessung der Mikrosysteme zu vermindern, welche solche Mikrostellglieder integrieren. Pyrotechnische Mikrostellglieder sind zum Beispiel beschrieben in der Patentanmeldung WO 02/088551 .
In dieser Patentanmeldung wird der Betrieb eines pyrotechnischen Mikrostellgliedes erhalten unter Hervorrufen der Verbrennung einer pyrotechnischen Mikroladung, im allgemeinen unter lokaler Erhöhung ihrer Temperatur bis zu einer Zersetzungsschwelle mittels einer Zündvorrichtung. Die Gase, die erzeugt werden durch die Verbrennung der pyrotechnischen Mikroladung, haben eine vorbestimmte Wirkung. Diese Wirkung kann zum Beispiel wie in der oben genannten Anmeldung darin bestehen, eine Membran zu deformieren, die die Brennkammer der pyrotechnischen Mikroladung begrenzt. In einem bestimmten Mikrosystem, wie zum Beispiel in einem Mikroventil wird diese Membran, indem sie sich verformt, zum Beispiel es als Funktion haben, einen Fluidkreislauf zwischen zwei Leitungswegen zu schließen. In einem Mikrosystem kann die Anzahl verwendeter Mikrostellglieder sehr hoch sein und mehrere Hundert erreichen.
Die pyrotechnische Mikroladung wird allgemein in Kontakt mit den Zündmitteln angeordnet. Dies ist der Fall in der oben genannten Patentanmeldung Nr.
WO 02/088551 , aber auch im Fall der Patentanmeldung WO 98/22719 . In dieser Anmeldung WO 98/22719 wird die pyrotechnische Mikroladung zwischen zwei metallischen Kontakten auf einem Träger eines gedruckten Schaltkreises aufgebracht, durch welchen der Zündstrom der pyrotechnischen Ladung zugeführt wird. Ein weniger ausgedehnter Oberflächenwiderstand als jener der Ladung wird auf der pyrotechnischen Ladung aufgebracht, die zu zünden ist, und verbindet die beiden metallischen Kontakte.
Man hat erkannt, daß für einen korrekten Betrieb eines Mikrostellgliedes oder eines Mikrosystems die Menge verbrannten pyrotechnischen Materials beim Betrieb beherrscht werden muß. Dies kann freilich erhalten werden unter Beherrschung einerseits der Menge des verwendeten pyrotechnischen Materials und andererseits der Positionierung der pyrotechnischen Beschichtung im Verhältnis zu den Zündmitteln. Diese Beherrschung dieser beiden Parameter kann sich hingegen als schwierig und zwingend erweisen, insbesondere in dem Fall, wo die Mikrosysteme industriell in schnellem Rhythmus hergestellt werden. Die Positionierung der Beschichtungen auf dem Träger hängt daher insbesondere von den Ausführungstoleranzen des Trägers, den Positioniertoleranzen dieses Trägers auf der Maschine zur Beschichtung und den Toleranzen der Maschine selbst ab. Auf miniaturisierten Gegenständen wie Mikrosystemen kann eine Differenz in deren Positionierung des pyrotechnischen Materials im Verhältnis zu seinem Zündmittel eine Fehlfunktion hervorrufen.
Ein Ziel der Erfindung ist es, Schwierigkeiten und Zwänge bei der Herstellung eines Mikrosystems zu überwinden, das über mehrere Beschichtungen pyrotechnischen Materials verfügt.
Dieses Ziel wird erreicht durch ein pyrotechnisches Mikrosystem mit einem Substrat, das mindestens zwei getrennte elektrische Initialzündungszonen eines auf das Substrat aufgebrachten pyrotechnischen Materials aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die gleiche Beschichtung aus pyrotechnischem Material die beiden Initialzündzonen bedeckt, wobei die auf dem Substrat hergestellte Beschichtung eine ausreichend geringe Stärke hat, damit die Initialzündung des pyrotechnischen Materials in einer Initialzündungszone lokalisiert bleibt und sich nicht bis zur anderen Initialzündungszone ausbreitet, aber ausreichend ist, um eine bestimmte Menge an Gas zu erzeugen.
Gemäß der Erfindung wird der Zwang, eine perfekt lokalisierte Beschichtung im Bereich der Zündzone erhalten zu müssen, daher eliminiert. Die industrielle Herstellung wird daher erleichtert werden können und wird weniger abhängig von verschiedenen Toleranzen der bei der Herstellung einwirkenden Maschinen sein.
Gemäß einer Besonderheit wird die Beschichtung pyrotechnischen Materials ausgeführt mit einer Dicke unter 100 μm. Mit einer solchen Dicke kann das pyrotechnische Material in einer ganzen Schicht aufgebracht werden und die Verbrennung um eine Zündzone auf dieser Beschichtung setzt sich nicht darüber hinaus bis zur angrenzenden Zündzone fort.
Gemäß einer anderen Besonderheit wird das Substrat ausgeführt aus einem Zusammenfügen von übereinander gelegten Schichten.
Gemäß einer anderen Besonderheit bildet die Beschichtung pyrotechnischen Materials eine der übereinander gelegten Schichten. Gemäß der Erfindung wird die industrielle Herstellung eines solchen Mikrosystems erleichtert, da es ausreicht, aufeinanderfolgende Schichten übereinander zu legen. Die Positionierungszwänge der pyrotechnischen Beschichtung im Verhältnis zu verschiedenen Zündzonen sind stark vermindert.
Gemäß einer anderen Besonderheit dient die Beschichtung pyrotechnischen Materials als Adhäsiv zum Zusammensetzen zwischen einer Schicht, die über der Beschichtung angeordnet ist und einer Schicht, die unter der Beschichtung angeordnet ist.
Gemäß einer anderen Besonderheit liegt das aufgebrachte pyrotechnische Material in Form eines Lackes auf Nitrocellulosebasis vor.
Gemäß einer anderen Besonderheit wird der Lack mit einer Dicke nach Trocknung zwischen 5 und 40 μm aufgebracht.
Gemäß einer anderen Besonderheit kann jede der Initialzündzonen aus einem elektrischen Widerstand auf dem Substrat ausgeführt werden.
Gemäß einer anderen Besonderheit kann jede der Initialzündzonen ausgeführt werden auf dem Niveau des Kontaktpunktes eines Leiterfingers, verbunden mit einem Stromerzeuger auf dem Substrat aus metallischem Material, welches ebenfalls mit dem Stromerzeuger verbunden ist.
Gemäß einer anderen Besonderheit umfaßt das Mikrosystem eine deformierbare Membran, die teilweise eine Brennkammer begrenzt, welche vorgesehen ist, die durch wenigstens einen Teil der Beschichtung pyrotechnischen Materials in Kontakt mit einer der Zündzonen erzeugten Gase zu empfangen.
Gemäß einer anderen Besonderheit umfaßt das Mikrosystem eine Schicht, entlang derer eine Öffnung ausgebildet wird, die die Brennkammer bildet, wobei die Schicht zwischen der Membran genommen wird, welche selbst eine Schicht bildet, und der Beschichtung aus pyrotechnischem Material.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es über ein Herstellungsverfahren eines Mikrosystems wie jenes oben gezeigten zu verfügen.
Dieses Ziel wird erreicht durch ein Herstellungsverfahren eines Mikrosystems, das eine Vielzahl von benachbarten pyrotechnischen Mikrostellgliedern aufweist, die auf einem Substrat angesiedelt sind, wobei jedes Mikrostellglied aufgrund der durch die Verbrennung eines pyrotechnischen Materials, das ausgehend von einer jedem Mikrostellglied zugeordneten elektrischen Initialzündungszone initialgezündet wird, erzeugten Gase eine bestimmte Wirkung haben kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus pyrotechnischem Material, die allen Mikrostellgliedern gemeinsam ist, auf das Substrat in einer Stärke aufgebracht wird, die gering genug ist, damit die Initialzündung des pyrotechnischen Materials in einer Initialzündungszone lokalisiert bleibt und sich nicht bis zur anderen Initialzündungszone ausbreitet, aber ausreichend ist, um eine bestimmte Gasmenge zu erzeugen.
Gemäß einer Besonderheit besteht das Verfahren nur aus einem Stapeln von übereinander liegenden Schichten, wobei die Schicht aus pyrotechnischem Material eine der Schichten des Stapels bildet.
Gemäß einer anderen Besonderheit wird die Schicht aus pyrotechnischem Material in einer Stärke von weniger als 100 μm aufgebracht.
Gemäß einer anderen Besonderheit wird die Schicht aus pyrotechnischem Material durch Beschichten, Siebdruck, Tampondruck, Tauchbeschichtung oder Zerstäuben aufgebracht.
Die Erfindung mit ihren Merkmalen und Vorteilen wird klarer beim Lesen der Beschreibung hervortreten, die mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen gemacht wird, in denen:
1 schematisch im Längsaxialschnitt ein Mikrostellglied darstellt.
2 schematisch im Längsaxialschnitt ein Mikroventil darstellt, in welchem ein Mikrostellglied es ermöglicht, einen Öffnungs-/Schließzyklus des Fluidkreislaufs auszuführen.
3 schematisch ein Mikroventil gemäß einer anderen Ausführungsform darstellt.
4 schematisch im Längsaxialschnitt ein Mikrosystem darstellt, das aus einer Vielzahl von Mikrostellgliedern besteht, auf denen sich eine elektrische Zündvorrichtung anpassen wird.
In der Gesamtheit der Beschreibung haben die Ausdrücke "pyrotechnisches Material" und "pyrotechnische Materialien" die gleiche Bedeutung.
Die Erfindung wird jetzt in Verbindung mit den 1 bis 4 beschrieben.
In Bezug auf 1 umfaßt ein pyrotechnisches Mikrostellglied 1 typischerweise eine Kammer 2, zum Beispiel in Zylinderform, ausgeführt in einem Polycarbonatträger. Dieser Träger resultiert zum Beispiel wie dargestellt in 1 aus einer Stapelung von Blättern oder Schichten, die aufeinander angebracht sind, zum Beispiel durch Kleben, durch Laserschweißen oder durch Thermokompression, durch Hitzelaminierung oder durch jedes andere geeignete Mittel. Ein pyrotechnisches einfaches Mikrostellglied wie jenes in 1 gezeigte umfaßt drei Schichten 10, 11, 12, die übereinander gelegt sind. Die zentrale Schicht 10 ist quer von einem Loch durchbohrt, das durch die sogenannte obere Schicht 12 bedeckt ist, die auf der ersten Seite der zentralen Schicht und der sogenannten Oberseite 100 befestigt ist, und durch die sogenannte untere Schicht 11, die fixiert ist auf der zur Oberfläche 100 der zentralen Schicht 10 gegenüberliegenden Seite, genannt Unterseite 101. Die Seitenwände dieses Loches begrenzen daher mit der oberen Schicht 12 und der unteren Schicht 11 die sogenannte Brennkammer 2. Der Durchmesser der Brennkammer 2, der so ausgebildet wird, ist zum Beispiel 1 mm. In dieser Brennkammer 2 wird eine pyrotechnische Mikroladung 3 angeordnet. Speziell definiert die Kammer 2 einen hermetischen Raum.
Die Oberschicht 12 wird gebildet aus einer deformierbaren Membran, die auf der Oberseite 100 der Zentralschicht 10 angebracht ist. Diese Membran wird zum Beispiel aus plastischem und/oder elastischem Material sein, zum Beispiel aus PTFE (oder Teflon, eingetragene Marke), aus Kautschuk, aus Elastomer, aus PVDC (Polyvinylidenchlorid) oder PVDF (Polyvinylidenfluorid).
Gemäß der Erfindung wird die pyrotechnische Mikroladung 3 in die Brennkammer 2 auf der Unterseite 11 aufgebracht, die in Kontakt mit der zentralen Schicht 10 ist. Diese Seite der Leiterschicht 11 ist die sogenannte Oberseite 110. Die pyrotechnische Mikroladung 3 kann zum Beispiel in Form einer Folie, zum Beispiel scheibenförmig mit einer Dicke zwischen 1 μm und 100 μm aufgebracht werden.
Die Arbeitsweise dieses Mikrostellglieds 1 ist die folgende. Ein elektrischer Strom wird geliefert in einem Zündmittel, das eine Zündzone bildet, die zum Beispiel besteht aus einer Heizleiterbahn, welche einen Widerstandsteil hat, oder aus einem Heizwiderstandsdraht. Die Temperatur in diesem Zündmittel erhöht sich bis sie die Zündtemperatur der pyrotechnischen Zusammensetzung 3 erreicht. Die Verbrennung dieser Zusammensetzung 3 zieht die Erzeugung von Gas mit sich, welches einen Überdruck in der Kammer 2 erzeugt. Die Membran 12, welche fest verbunden ist, reagiert, indem sie sich verformt.
Die 2 stellt ein verbessertes Mikrostellglied 7 dar, das es erlaubt, wie oben beschrieben in Bezug auf 1 eine Deformation der Membran und auch eine Verminderung dieser Deformation zu erhalten. In den 2 und 3 spielt dieses Mikrostellglied 7 die Rolle eines Mikroventils in einem Mikrofluidkreislauf. Das Mikrostellglied 7 besteht aus vier übereinandergelegten Schichten 71, 72, 73 und 74, die jeweils erste Schicht, zweite Schichte, dritte Schicht und vierte Schicht genannt werden. Die zweiten, dritten und vierten Schichten 72, 73, 74 bilden den Träger und sind zum Beispiel aus Polycarbonat. Die erste Schicht 71 ist aus Kunststoffmaterial und/oder elastischem Material, zum Beispiel aus Teflon (eingetragene Marke), aus Latex, aus PVDC (Polyvinylidenchlorid) oder PVDF (Polyvinylidenfluorid). Auf der ersten Schicht 71 des Mikrostellglieds 7 liegt eine fünfte Schicht 75, die einen Mikrofluidkreislauf bildet. Diese fünfte Schicht 75, gebildet durch den Mikrofluidkreislauf, wird quer von zwei Leitungen 750 und 751 durchquert. Die beiden Leitungen 750 und 751 umfassen ein Ende, das in eine Ausnehmung 752 mündet, die an der Seite 753, der sogenannte Unterseite, dieser fünften Schicht 75 ausgebildet und gegenüber der ersten Schicht 71 des Mikrostellgliedes 7 angeordnet ist. Die beiden Leitungen 750 und 751 kommunizieren daher über die Ausnehmung 752 miteinander. Ein erster Leitungsweg 750 besteht zum Beispiel aus einem Fluideingang zur Ausnehmung 752, und die zweite Leitung 751 bildet einen Fluidausgang aus der Ausnehmung 752. Die Anordnung des Mikrostellgliedes 7 und des Mikrofluidkreislaufs bildet ein Mikrosystem.
Die erste Schicht 71 des Mikrostellglieds 7 bildet eine Membran 710, die derart deformierbar ist, wie jene, die unter dem Bezugszeichen 12 in der 1 beschrieben ist. Da die Membran 710 auf der Unterseite 753 der fünften Schicht 75, zum Beispiel durch Kleben, befestigt ist, ist die Deformation der Membran 710 nur in der Ausnehmung 752 der fünften Schicht 75 möglich.
Die zweite Schicht 72 besteht aus einem quer mit zwei Löchern durchlochten Blatt und besitzt eine Dicke von zum Beispiel 0,5 mm. Die Seitenwände eines ersten Loches begrenzen mit der ersten Schicht 71, die darüber angeordnet ist, und mit der dritten Schicht 73, die darunter angeordnet ist, die Hauptbrennkammer 720 des Mikrostellgliedes.
Die Brennkammer 720 wird zum Beispiel einen Durchmesser von 1 mm haben. Die Seitenwände eines zweiten Loches begrenzen mit der ersten Schicht 71, die darüber angeordnet ist, und mit der dritten Schicht 73, die darunter angeordnet ist, eine zweite Kammer oder einen Speicher 722, deren/dessen Rolle unten erklärt werden wird. Diese zweite Kammer 722 wird zum Beispiel einen Durchmesser gleich 2 mm haben.
Die dritte Schicht 73 besteht aus einem Blatt, entlang dessen ein Leitungsweg 730 in U-Form ausgebildet wird, dessen jedes seiner Enden in eine der Kammern 720 und 722 der zweiten Schicht 72 einmündet. Dieser Leitungsweg 730 besteht aus einem Hohlkanal 733 auf der Seite der dritten Schicht 73, die gegenüber der vierten Schicht 74 und bedeckt durch die vierte Schicht 74 des Mikrostellgliedes 7 angeordnet ist. Jedes Ende des Kanals 733 verlängert sich senkrecht durch eine Leitung 731 und 732, wobei jede der Leitungen 731 und 732 in eine Kammer 720 und 722 der zweiten Schicht 72 des Mikrostellglieds mündet. Diese vierte Schicht 74 besteht aus einer Dichtungsfolie, die den Leitungsweg 730 bedeckt.
Eine Beschichtung 721 pyrotechnischen Materials wird gemäß der Erfindung in der Hauptbrennkammer 720 auf der Oberseite der dritten Schicht 73 ausgeführt. Diese Beschichtung 721 pyrotechnischen Materials verstopft daher die Leitung 731 des Leitungswegs 730, der ausgebildet ist in der dritten Schicht 73. Gemäß der Erfindung hat man bemerkt, daß mit einer ausreichend geringen Beschichtungsdichte, aber ausreichend, um die gewünschte Gasmenge zu erzeugen, die Verbrennung des pyrotechnischen Materials sich auf einen verminderten Bereich begrenzt, der um den Zündpunkt herum angeordnet ist. Aufgrund dessen kann eine selbe Beschichtung pyrotechnischen Materials an mehreren unterschiedlichen Orten gezündet werden und zu unterschiedlichen Zeitpunkten, um mehrmals in der Brennkammer eine Gasmenge zu erzeugen, die notwendig ist, um die gewünschte Wirkung zu erhalten. In Bezug auf 2 wird folglich die Beschichtung 721 pyrotechnischen Materials ausgeführt in der Hauptbrennkammer 720 auf der gesamten Oberfläche der Oberseite der dritten Schicht 73, beispielsweise an zwei unterschiedlichen Orten, gezündet werden können.
Die Zündung an zwei Punkten oder Beschichtungszonen 721 von pyrotechnischem Material kann gemäß der Erfindung mit verschiedenen Mitteln ausgeführt werden. Eines dieser Mittel besteht zum Beispiel darin, einen Heizwiderstandsdraht zu verwenden, auf welchen das pyrotechnische Material aufgebracht wird. Ein anderes dieser Mittel besteht zum Beispiel darin, Zündbahnen zu verwenden, zum Beispiel durch Siebdruck auf der Oberseite 734 der dritten Schicht 73. Die Bahn umfaßt daher einen Widerstandsteil, der eine Zündzone bildet, durch die die Zündung hervorgerufen wird.
Ein Mikroventil wie in 2 dargestellt arbeitet daher auf folgende Weise. Ein elektrischer Strom wird in einen Heizwiderstandsfaden oder ein Widerstandsteil einer Leiterbahn abgegeben, bis die erreichte Temperatur ausreichend ist zum Entzünden eines ersten Teils der Beschichtung 721 von pyrotechnischem Material. Da gemäß der Erfindung die Beschichtungsdicke 721 ausreichend gering ist, bleibt die Zündung der Beschichtung lokalisiert und dehnt sich nicht über die gesamte Beschichtung 721 von pyrotechnischem Material aus. Gemäß der Erfindung wird die Beschichtung 721 verbrannt über einen Bereich, der unterschiedlich von jenem ist, der das Verstopfen des Leitungswegs 730 zum Abziehen erlaubt, derart, daß die erzeugten Gase in der Hauptbrennkammer 720 bleiben. Die Verbrennung dieses ersten Teils der pyrotechnischen Beschichtung 721 zieht die Erzeugung von Gas in der Hauptbrennkammer 720 derart mit sich, daß ein Überdruck in dieser Kammer 720 erzeugt wird. Der Überdruck in der Kammer 720 zieht die Deformation der Membran 710 mit sich. Die Deformation der Membran 710 in Erwiderung auf den Druck der Gase ist nur möglich in Richtung der Ausnehmung 752, die in der fünften Schicht 75 ausgebildet ist. Die Membran wird sich daher deformieren bis sie zum Anliegen am Boden der Ausnehmung 752 kommt und sich so zwischen die beiden Leitungswege 750 und 751 des Mikrofluidkreislaufs einfügen. Der Mikrofluidkreislauf ist daher geschlossen und dieses Schließen wird dank des Drucks der in der Hauptkammer 720 enthaltenen Gase auf die deformierbare Membran 710 aufrechterhalten. Der Druck der in der Hauptkammer 720 enthaltenen Gase ist ausreichend, um die Membran 710 am Boden der Ausnehmung 752 und oberhalb des auf die Membran 710 durch das in dem Mikrokreislauf enthaltene Fluid ausgeübten Gegendruck derart anzudrücken, daß die Membran 710 am Boden der Ausnehmung 752 gehalten wird.
Der zweite Teil der pyrotechnischen Beschichtung 721, der nicht verbrannt ist, verstopft daher immer die Leitung 731 des Leitungswegs 730, der die beiden Kammern 720 und 722 verbindet. Die Verbrennung des zweiten Teils der pyrotechnischen Beschichtung 721, hervorgerufen durch die Zündmittel des Typs von jenen oben gezeigten, das heißt einem Heizdraht oder dem Widerstandsteil einer Zündleiterbahn, erlaubt es, den Eingang zum Leitungsweg 730 freizugeben, der die beiden Kammern 720 und 722 verbindet. Da die Nebenkammer 722 unter einem Druck steht, der niedriger als der Druck ist, der in der Hauptkammer 720 herrscht, können die durch Verbrennung des ersten Teils der pyrotechnischen Beschichtung 721 sowie durch Verbrennung dieses Teils der Beschichtung 721, die den Leitungsweg 730 verstopft, erzeugten Gase sich durch den Leitungsweg 730 in die Nebenkammer 722 ausdehnen. Das Volumen der zweiten Kammer 722 ist ausreichend, um einen Druck der Gase zwischen den beiden Kammern 720, 722 zu erhalten, der niedriger als der Gegendruck ist, der auf die Membran 710 ausgeübt wird durch das Fluid, das in dem Mikrokreislauf vorliegt. Bei Entspannung der Gase, hervorgerufen durch die Öffnung des Leitungsweges, erhält man so eine Verminderung der Deformation der Membran 710, die ausreichend ist, um die Öffnungen freizugeben, die ausgebildet werden durch die Leitungswege 750, 751 des Mikrofluidkreislaufs. Diese Deformation der Membran 710 zum Äußeren der Ausnehmung 752 ruft eine Öffnung des Ventils hervor und daher eine Verbindung der beiden Leitungswege 750 und 751 des Mikrofluidkreislaufs.
Gemäß einer Ausführungsvariante ist es möglich, die Gase, die in der Hauptkammer 720 enthalten sind, direkt zum Äußeren der Vorrichtung abzulassen, indem die Hauptkammer 720 mit der freien Luft in Verbindung gesetzt wird. Gemäß dieser Variante, da alle Gase von der Hauptkammer 720 abgezogen werden, kehrt die Membran 710, wenn sie elastisch ist, in ihre Anfangsposition zurück.
Gemäß einer anderen in 3 dargestellten Ausführungsform wird die Beschichtung 721' von pyrotechnischem Material ausgeführt über die gesamte Oberfläche der Oberseite der dritten Schicht 73. Die Beschichtung 721' von pyrotechnischem Material bildet daher eine Schicht eines vollständigen Teils, angeordnet zwischen der zweiten Schicht 72 und der dritten Schicht 73. Die Zündung zu verschiedenen Zeitpunkten dieser pyrotechnischen Schicht ist daher gemäß der Erfindung möglich. Wie oben beschrieben, erlaubt es eine erste Zündung, die Membran 710 in einer Richtung zu deformieren, während eine andere Zündung am Eingang und Ausgang des Leitungswegs das Abziehen der Gase zur Nebenkammer 722 und die Deformation der Membran 710 in die andere Richtung erlaubt. Das Zünden eines anderen Teils der Schicht von pyrotechnischem Material in einem Bereich, der zum Beispiel in der Hauptkammer 720 oder der Nebenkammer 722 angeordnet ist, erlaubt es daher, einen erneuten Überdruck in den Haupt- 720 und Nebenkammern 722 und so eine erneute Deformation der Membran 710 zu erhalten. Es ist daher möglich, einen Schließ-/Öffnungs-/Schließzyklus des Mikrofluidkreislaufs auszuführen.
Ein Mikrosystem ist eine miniaturisierte multifunktionelle Vorrichtung, deren Maximalabmessungen einige Millimeter nicht überschreiten. Im Rahmen eines Mikrofluidkreislaufs kann zum Beispiel ein Mikrosystem ein Mikroventil oder eine Mikropumpe sein und im Rahmen eines elektronischen Mikroschaltkreises ein Mikroschalter oder ein Mikrokommutator.
In Bezug auf 4 umfaßt ein Mikrosystem 1', das zum Beispiel in Form einer Karte vorliegt, eine Vielzahl von Mikrostellgliedern (1a,..., 1h), die aneinander angrenzen und identisch sind zu jenem, das in Bezug auf 1 beschrieben ist. Diese Mikrostellglieder (1a,..., 1h) sind ausgebildet in einem selben Träger durch Stapelung der drei Schichten 10, 11, 12, die oben definiert sind, das heißt durch eine Zentralschicht 10, die zwischen einer Membran genommen ist, die die obere Schicht 12 und die untere Schicht 11 bildet. Die Kammer (2a,..., 2h) zur Verbrennung von jedem der Mikrostellglieder (1a,..., 1h) ist daher begrenzt durch die Seitenwände eines Lochs, das ausgebildet ist über die zentrale Schicht 10 und durch die obere Schicht 12, welche die deformierbare Membran bildet, die darüber angeordnet ist und die untere Schicht 11, die darunter angeordnet ist.
Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Mikrostellglied, wird eine pyrotechnische Mikroladung gemäß der Erfindung in jeder der Brennkammern (2a,..., 2h) der Mikrostellglieder (1a,..., 1h) aufgebracht. Die Beschichtung 13 von pyrotechnischem Material, die es erlaubt, die Membran 12 auf der Ebene von jedem der Mikrostellglieder (1a,..., 1h) aufzublähen, ist gemäß der Erfindung allen Mikrostellgliedern (1a,..., 1h) gemeinsam. Gemäß der Erfindung weist eine solche pyrotechnische Beschichtung 13 eine einzige Schicht 13 auf, die zwischen der zentralen Schicht 10 und der Unterschicht 11 angeordnet ist. Vorausgesetzt, daß die Verbrennung der Beschichtung 13 lokalisiert ist und sich nicht über die gesamte Beschichtung 13 fortpflanzt, kann daher gemäß der Erfindung die Zündung an verschiedenen Punkten der Schicht und zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt werden. Ausgehend von derselben Schicht 13 von pyrotechnischem Material, die allen Mikrostellgliedern (1a,..., 1h) gemeinsam ist, ist es möglich, jedes dieser Mikrostellglieder (1a,..., 1h) zu betätigen. Dafür muß die Dicke der Beschichtung pyrotechnischen Materials 13 ausreichend gering sein, um zu vermeiden, daß in einer Kammer (2a,..., 2h) zur Verbrennung von einem Mikrostellglied (1a,..., 1h) sich die Verbrennung über einen bestimmten Bereich fortsetzt und das Unterdrucksetzen der Brennkammer eines angrenzenden Mikrostellglieds hervorruft. Die Verbrennung der Beschichtung darf sich daher nicht über die Brennkammer (2a,..., 2h) des Mikrostellgliedes fortpflanzen, das aktiviert worden ist.
Das Mikrosystem 1', das dargestellt ist in 4, verwendet zum Beispiel eine spezielle Zündvorrichtung, die mehrere identische Leiterfinger (6a,..., 6h) umfaßt, die sich parallel zueinander und senkrecht zu einer Ebene erstrecken, die durch ein Trägerelement 9 definiert ist. Jeder dieser Finger (6a,..., 6h) ist auf einer Feder (7a, ..., 7h) angebracht und elektrisch verbunden mit einer Steuerzentrale 8. Die Achsen der Federn (7a,..., 7h) sind zueinander parallel und senkrecht zu einer Ebene, die definiert ist auf einem Trägerelement 9. Die Finger (6a,..., 6h) sind elektrisch parallel zu einer Anschlußklemme einer Stromquelle 4 der Steuerzentrale 8 verbunden. Die Zentrale 8 steuert eine Vielzahl von Schaltern (5a,..., 5h), wobei jeder Leiterfinger (6a, ..., 6h) einem dieser Schalter (5a,..., 5h) zugeordnet ist. So kann die Steuerzentrale 8 unter Schließen bestimmter Schalter (5a,..., 5h) die Mikrostellglieder (1a,..., 1h), die zu aktivieren sind, auswählen. Die Steuerzentrale 8 umfaßt daher Auswahlmittel, die es ihr erlauben, die Schalter auszuwählen, die in Abhängigkeit der Mikrostellglieder (1a,..., 1h) zu schließen sind, welche aktiviert werden müssen. Das Trägerelement wird gemäß der Erfindung an dem Mikrosystem 1 derart angepaßt, daß ein Leiterfinger (6a,..., 6h) verbunden ist mit jedem Mikrostellglied (1a,..., 1h) des Mikrosystems 1'. Wenn das Trägerelement 9 auf dem Mikrosystem 1' angepaßt ist, werden die Leiterfinger (6a,..., 6h) in Kontakt gehalten mit einer unteren Schicht 11 des Mikrosystems 1', jeder mit Hilfe von seiner Feder (7a,..., 7h). Die Leiterfinger (6a, ..., 6h) werden angeordnet auf dem Trägerelement derart, daß sie in Kontakt kommen mit der Unterseite 111 der unteren Schicht 11, genau unter der Brennkammer (2a,..., 2h) eines Mikrostellglieds (1a,..., 1h). Das Element 9 umfaßt zum Beispiel einen periphären Kranz 90, der es ihm erlaubt, sich auf dem Mikrosystem 1' anzupassen. Das Zusammensetzen zwischen den beiden Elementen wird zum Beispiel gemäß den in der 4 dargestellten Pfeile durchgeführt und die Verbindung zwischen dem Mikrosystem 1' und dem Trägerelement 9 wird zum Beispiel durch Einklicken durchgeführt.
Gemäß der Erfindung wird die Steuerzentrale 8 am Trägerelement 9 derart integriert sein, daß sie eine vollständig auf dem Mikrosystem 1' adaptierbare Vorrichtung bildet.
Gemäß der Erfindung ist die untere Schicht 11 eine Elektrizität leitende Schicht. Die Schicht 13 von pyrotechnischem Material wird aufgebracht auf der Oberseite 110 der unteren Leiterschicht. Jeder Leiterfinger (6a,..., 6h) in Kontakt mit der unteren Leiterschicht 11, wenn er durch die Steuerzentrale 8 ausgewählt ist, erlaubt es, eine lokalisierte Erhitzung der unteren Leiterschicht 11 zu erzeugen und die Zündung des Teils der Beschichtung 13 von pyrotechnischem Material hervorzurufen, die genau über dem Finger liegt, um so unter der Wirkung der Verbrennungsgase die punktuelle Deformation auf der Ebene des ausgewählten und aktivierten Mikrostellglieds (1a,..., 1h) von der oberen Schicht 12 zu erhalten, die die Membran ausbildet.
In den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen kann gemäß der Erfindung die Gegenwart der Seitenwände einer Kammer (2a,..., 2h, 720) zur Verbrennung ein Löschen der Beschichtung 13 um die Zündzone herum begünstigen und die Nichtfortpflanzung der Verbrennung von der Beschichtung zu den angrenzenden Verbrennungskammern (2a,..., 2h, 722) erlauben.
Die Beschichtung pyrotechnischen Materials, die lediglich in der Hauptbrennkammer 720 (721, 2) ausgeführt ist oder ausgeführt ist in der vollständigen Schicht (721', 3 oder 13, 4), kann ausgeführt werden bei einer Dicke unter 100 μm. Die Beschichtungsdicke 721, 721', 13 muß ausreichend gering sein, um zu vermeiden, daß die Verbrennung sich nicht über einen Grenzteil um die Zündzone herum angeordneten Bereich hin fortpflanzt. Diese Beschichtungsdicke 721, 721', 13 muß hingegen ausreichend sein, um die Gasmenge zu erzeugen, die zum Erhalt der gewünschten Wirkung notwendig ist. Die erzeugte Gasmenge hängt außerdem insbesondere vom energetischen Vermögen des verwendeten pyrotechnischen Materials sowie von der Geometrie der Zündvorrichtung ab. Die freigesetzte Gasmenge wird daher beherrscht unter Variieren der Dicke der Beschichtung pyrotechnischen Materials, der Natur des verwendeten pyrotechnischen Materials sowie der Geometrie der Zündvorrichtung. Je höher das energetische Vermögen des Materials ist, desto verminderter muß/wird die Dicke der Beschichtung sein können. Gemäß der Geometrie der Zündvorrichtung kann darüber hinaus eine mehr oder weniger große Oberfläche der Beschichtung des pyrotechnischen Materials gezündet werden, was es erlaubt, mehr oder weniger Gas zu erzeugen.
Das für die Beschichtung verwendete pyrotechnische Material kann ein Lack auf Nitrocellulosebasis sein. In diesem Fall wird die Dicke der Beschichtung, um ein Mikrostellglied des Typs von jenem der 1 oder 2 funktionieren zu lassen, nach Trocknen zwischen 5 und 40 μm und bevorzugt zwischen 10 und 20 μm sein.
Die Beschichtung in einer Schicht auf der Gesamtheit eines Trägers kann gemäß der Erfindung durchgeführt werden durch verschiedene Techniken wie zum Beispiel Überzug, Siebdruck, Tampondruck, Tauchbeschichtung oder Zerstäuben. Die Lacke auf Nitrocellulosebasis haben insbesondere gut zum Überziehen auf einen vorbestimmten Träger angepaßte Filmbildungseigenschaften.
In dem Fall der 3 oder 4 kann die Schicht 721', 13 von pyrotechnischem Material gemäß der Erfindung eine Adhäsivfunktion haben, die das Zusammenfügen zwischen der darüberliegenden Schicht 72, 10 und der darunter liegenden Schicht 73, 11 zu erlauben oder zu erleichtern.

Claims

Pyrotechnisches Mikrosystem (7, 1') mit einem Substrat, das mindestens zwei getrennte elektrische Initialzündungszonen eines auf das Substrat aufgebrachten pyrotechnischen Materials aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die gleiche Beschichtung (721, 721', 13) aus pyrotechnischem Material die beiden Initialzündzonen bedeckt, wobei die auf dem Substrat hergestellte Beschichtung (721, 721', 13) eine ausreichend geringe Stärke hat, damit die Initialzündung des pyrotechnischen Materials in Höhe einer Initialzündungszone lokalisiert bleibt und sich nicht bis zur anderen Initialzündungszone ausbreitet, aber ausreichend ist, um eine bestimmte Menge an Gas zu erzeugen.
Mikrosystem (7, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (721, 721', 13) aus pyrotechnischem Material in einer Stärke von weniger als 100 μm hergestellt wird.
Mikrosystem (7, 1') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ausgehend von einer Zusammenfügung von übereinander liegenden Schichten (71, 72, 73, 74 und 10, 11, 12) hergestellt wird.
Mikrosystem (7, 1') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (721', 13) aus pyrotechnischem Material eine der übereinander liegenden Schichten (71, 72, 73, 74 und 10, 11, 12) bildet.
Mikrosystem (7, 1') nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (721', 13) aus pyrotechnischem Material als Bindemittel für die Zusammenfügung einer Schicht (72, 10), die sich über der Beschichtung (721', 13) befindet, mit einer Schicht (73, 11) dient, die sich unter der Beschichtung (721', 13) befindet.
Mikrosystem (7, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgebrachte pyrotechnische Material in Form eines Lacks auf der Basis von Nitrozellulose vorliegt.
Mikrosystem (7, 1') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lack in einer Stärke aufgebracht wird, die nach dem Trocknen zwischen 5 und 40 μm liegt.
Mikrosystem (7, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Initialzündungszonen ausgehend von einem elektrischen Widerstand auf dem Substrat hergestellt werden kann.
Mikrosystem (7, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Initialzündungszonen in Höhe des Kontaktpunkts eines mit einem elektrischen Generator (4) verbundenen leitenden Fingers (6a,..., 6h) auf dem Substrat aus metallischem Werkstoff hergestellt werden kann, das ebenfalls mit dem Generator (4) verbunden ist.
Mikrosystem (7, 1') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine verformbare Membran (710, 12) aufweist, die teilweise eine Brennkammer (720, 2a,..., 2h) begrenzt, die dazu bestimmt ist, die Gase zu empfangen, die von mindestens einem Teil der Beschichtung (721, 721, 13) aus pyrotechnischem Material erzeugt werden, der mit einer der Initialzündungszonen in Kontakt steht.
Mikrosystem (7, 1') nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Schicht (72, 10) aufweist, durch die hindurch eine Öffnung gebildet wird, die die Brennkammer (720, 2a,..., 2h) bildet, wobei die Schicht (72, 10) zwischen der Membran (710, 12), die selbst eine Schicht bildet, und der Beschichtung aus pyrotechnischem Material (721', 13) eingefügt ist.
Herstellungsverfahren eines Mikrosystems (1'), das eine Vielzahl von benachbarten pyrotechnischen Mikrostellgliedern (1a,..., 1h) aufweist, die auf einem Substrat angesiedelt sind, wobei jedes Mikrostellglied (1a,..., 1h) aufgrund der durch die Verbrennung eines pyrotechnischen Materials, das ausgehend von einer jedem Mikrostellglied (1a,..., 1h) zugeordneten elektrischen Initialzündungszone initialgezündet wird, erzeugten Gase eine bestimmte Wirkung haben kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (13) aus pyrotechnischem Material, die allen Mikrostellgliedern (1a,..., 1h) gemeinsam ist, auf das Substrat in einer Stärke aufgebracht wird, die gering genug ist, damit die Initialzündung des pyrotechnischen Materials in einer Initialzündungszone lokalisiert bleibt und sich nicht bis zur anderen Initialzündungszone ausbreitet, aber ausreichend ist, um eine bestimmte Gasmenge zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es nur aus einem Stapeln von übereinander liegenden Schichten (10, 11, 12) besteht, wobei die Schicht (13) aus pyrotechnischem Material eine der Schichten des Stapels bildet.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (13) aus pyrotechnischem Material in einer Stärke von weniger als 100 μm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (13) aus pyrotechnischem Material durch Beschichten, Siebdruck, Tampondruck, Tauchbeschichtung oder Zerstäuben aufgebracht wird.