DE69024935T2

DE69024935T2 - Herstellungsverfahren für ein mikroventil

Info

Publication number: DE69024935T2
Application number: DE69024935T
Authority: DE
Inventors: Michael A Huff; Theresa Lober; Michael Mettner; Martin A Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-08-08
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: DE69024935D1; EP0438570A1; WO1991002169A1; DE3926647A1; JPH04501303A; KR920701699A; US5142781A; EP0438570B1

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung: METTNER et al.
Deutsche Anmeldung Nr. P 39 19 876, eingereicht 19. Juni 1989.
Querverweis auf verwandte Literatur:
S. Timoschenko, Theory of Plates and Shells. Kapitel III, Biegung von kreisförmigen Platten&sub1; Seiten 55-68, McGraw-Hill, 1940;
H. Merritt, Hydraulic Control Systems, Kapitel 3, Grundlagen der Strömung von Fluiden, Seiten 39-48, John Wiley & Sons, 1967;
S.C. Terry et al., IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-26, Nr. 12, Seiten 1880-1886, Dezember 1979;
B. Leroy & C. Plougonven, IBM Frankreich, "Verzug von Siliziumscheiben", Journal der Elektrochemischen Gesellschaft, Solid-State Science & Technology, Band 127, Nr.4, Seiten 961-970, April 1980;
S. Park et al., IEEE Solid-State Sensor & Actuator Workshop, Hilton Head, S.C., Seiten 136-139, 6.-9. Juni 1988;
H.T.G. Van Lintel et al., "Eine piezoelektrische Mikropumpe, basierend auf Mikrobearbeitung von Silizium", Sensors & Actuators, Band 15, Seiten 153-167, 1988;
M.J. Zdeblick, Dissertation (Ph.D.), "Ein planares Verfahren fur ein elektrofluidisches Ventil", Stanford Univ., Juni 1988;
F. Maseeh & S. Senturia, "Plastische Verformung von hoch dotiertem Silizium", vorgelegt bei Konferenz Transducer '89;
T. Ohnstein et al., "Mikrobearbeitetes Silizium- Mikroventil", IEEE Proceedings on Micro Electro- Mechanical Systems, Feb. 1990, Seiten 95-98;
M.A. Huff, M.S. Mettner, T.A. Lober & M.S. Schmidt, "Ein elektrostatisch betätigtes Mikroventil mit Druckausgleich", vorgetragen Juni 1990, IEEE Solid-State Sensor & Actuator Workshop.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Mikroventil und ein Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils durch Zusammenbonden mehrerer dünner Lagen und spezieller ein Verfahren zum Bonden jeder Lage in einem homogenen Zustand und anschließenden Ätzen oder andersartigen Profilieren von ihrer Außenfläche, d.h. der Fläche, die der Bondfläche entgegengesetzt ist. Alternativ können Lagen vor dem Bonden vorgeätzt werden, aber dieses Verfahren erfordert im allgemeinen zusätzliche Justierungen.

Stand der Technik:

In der deutschen Patentanmeldung DE-A-39 19 876 wird ein Mikroventil beschrieben, das aus mehreren Lagen besteht und einen zwischen Lagen ausgebildeten Ventilsitz aufweist. Konstruktionsbedingt sind bei diesem Ventil die baulichen Anforderungen hoch, und gestaltet sich deshalb seine Herstellung kostspielig und zeitraubend.
In EP-A-276 156 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Ventilelements, ausgehend von einem plattenartigen Metallsubstrat 1, beschrieben. Eine provisorische Photoresist-Lage 2 wird auf dieses Metallsubstrat aufgebracht und dadurch eine kreisförmige nichtleitende Fläche mit Durchmesser D1 gebildet. Anschließend wird die Metallplatte in ein galvanisches Bad eingebracht und auf der Oberfläche der Metaliplatte 1 ein Nickelfilm 5 gezüchtet. Über der isolierten kreisförmigen Photoresist- Fläche wird eine Nickellage 5 nicht aufgebaut. Aufbau weiterer Lagen erfolgt mit einem Photoresist-Polyimid und durch weitere Elektroplattierungen. Aufbringen des Polyimids erfolgt durch Aufgießen einer flüssigen Photoresist-Lösung auf die Oberfläche mit anschließender Härtung zu einer Lage.
Die Erfindung: Ein Zweck dieser Erfindung ist somit das Angeben eines einfacheren und wirtschaftlicheren Verfahrens zum Herstellen eines Mikroventils.
Dieses geschieht kurz gesagt, indem jede zu bondende Lage in einem im wesentlichen unstrukturierten oder homogenen festen Zustand auf die schon vorliegende Struktur aufgebracht wird, Bonden der Lage erfolgt und anschließend die Ätzungen oder Profilierungen auf der Lage erfolgen. Unstrukturierte Scheiben oder Lagen sind einfacher zu handhaben als vorgeätzte Scheiben. Außerdem ist eine spezielle Justierung oder Ausrichtung beim Bonden der unstrukturierten Scheibe an die schon vorhandenen Lagen nicht erforderlich. Erst nach dem Bonden erhält die oberste Lage eine Struktur. Die zur weiteren Verarbeitung erforderlichen Masken können auf die schon vorhandene Struktur wesentlich einfacher ausgerichtet werden als strukturierte Lagen auf vorhandene Lagen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart des Verfahrens dient die unterste Scheibe als eine Trägerlage zum Bonden der folgenden Lagen, und ehe diese folgenden Lagen aufgebracht werden, erhält die unterste Scheibe eine Struktur, nämlich eine Aussparung oder einen Kanal als Bestandteil eines Betätigungselementes. Da die Trägerlage Betätigungsfunktionen ausführen kann, ist eine besonders kompakte Bauweise möglich.
Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Bonden einer zweiten Scheibe an die Trägerlage und anschließend Ausbilden eines ersten Strömungskanals in dieser zweiten Scheibe. Der Boden oder Grund dieses Kanals ist Teil der Abdeckung der Aussparung in der Trägerlage und entsprechend den Materialeigenschaften elastisch. Als Material wird vorzugsweise Silizium benutzt, das einen besonders hohen Elastizitätsmodul nicht aufweist. Zwischen der Basis bzw. Boden dieser Scheibe und der Trägerlage erfolgt Interaktion, so daß eine Auslenkung des Bodens bezüglich der Trägerlage möglich ist. Bei dem bevorzugten Verfahren wird an die zweite Scheibe eine dritte Scheibe gebondet, in der wiederum ein Kanal ausgebildet wird. Dieser Kanal ergibt einen Durchgang zum ersten Kanal. Der erste Kanal in der zweiten Scheibe ist breiter als der zweite Kanal in der dritten Scheibe, so daß der durch den zweiten Kanal definierte Bereich 19 in Horizontalprojektion über dem durch den ersten Kanal abgegrenzten Bereich 21 liegt. Aufgrund des Bondens ist der Bereich der dritten Lage, der als Ventilteller dient, mit dem der zweiten Scheibe fest verbunden.
Bei dem bevorzugten Verfahren sind die Kanäle in den zweiten und dritten Scheiben Ringkanäle, und ist die Aussparung in der Trägerlage kreisförmig.
Diese Geometrie ergibt kleinste Spannungskonzentrationen und somit geringste Ermüdungs- und Bruchgefahr. Weitere Ausführungsarten des Verfahrens und ihre Vorteile gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung hervor.
Das erfindungsgemäße Mikroventil, bei dem zuerst alle Lagen gebondet werden und erst dann Profilierung der Lagen erfolgt, zeichnet sich durch "elegante", einfache Bauweise und wirtschaftliche Fertigung aus. Da das Strukturierungskonzept so ist, daß alle Lagen nur auf einer Seite strukturiert werden, können die die Lagen bildenden Scheiben auf besonders einfache Weise gehandhabt werden.
Entsprechend der bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Mikroventils wird eine unterste Scheibe als eine Trägerlage vorgesehen, wird eine zweite Scheibe daran gebondet, die einen von einem Kanal umgebenen Vorsprung besitzt, der einen Ventilteller trägt, der wiederum Teil einer an die erste Scheibe gebondeter dritten Scheibe ist.
Der Ventilteller kontaktiert eine Decklage, die mit der dritten Scheibe verbunden ist; die obere Fläche des Ventiltellers sitzt auf einer Umfangs-Abdichtschulter, die vom Rand der Platte distanziert ist und in Kontakt mit der Unterseite der Decklage gebracht werden kann. Eine derartige Abdichtschulter ermöglich ein äußerst präzises Definieren der unter Druck stehenden Oberflächen, so daß eine genaue Druckkompensation und somit ein optimales dynamisches Verhalten des Ventils erzielbar ist.
Insbesondere wird ein Mikroventil bevorzugt, bei dem die Höhe der Abdichtschulter erheblich kleiner ist als die Dicke des Ventiltellers. Beim Herstellen einer derartigen Struktur durch Ätzen können die Abmessungen der Abdichtschulter, bedingt durch die geringe Ätztiefe, genauer definiert oder kontrolliert werden, als es beim Ätzen eines erheblich dickeren Ventiltellers möglich ist.
Weitere Vorteile und bauliche Einzelheiten des Mikroventils werden nachfolgend beschrieben. Als besonders wünschenswert hat sich das Beschichten des Ventiltellers mit einer harten Lage erwiesen. Dieses dient zum Vorspannen des Ventils und Reduzieren des Verschleißes durch das Strömen des Mediums durch das Ventil. Da das Mikroventil nahezu ausschließlich aus Silizium besteht, sind auch Spannungen durch Wärmeausdehnung auf ein Minimum beschränkt.
Das Ventil wird vorzugsweise in einem von zwei bistabilen Moden betrieben: Offener Modus und geschlossener Modus. Wird ein Ventil mit Proportionalregelung gewünscht, so kann dazu das Ventil dynamisch auf ein oder aus gesteuert werden. Proportionalregelung erfolgt durch Variieren der Ein- und Ausschaltrate des Ventils.

Zeichnungen:

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch das Ventil in nichtbetätigter Stellung;
Fig. 2 einen Schnitt durch das Ventil in betätigter Stellung und
Fig. 3 eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht
- teilweise im Schnitt - der Elemente des erfindungsgemäßen Ventils;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsart, d.h. einer Vorrichtung mit drei Anschlüssen, bei der die vorerwähnten Lagen durch Oxide getrennt sind;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm der Ventilherstellung und
Fig. 6 Ventilabmessungen für eine bevorzugte Ausführungsart.

Ausführliche Beschreibung:

Die Schnittansicht von Fig. 1 zeigt die Anordnung der einzelnen Lagen des Ventils, wobei aber die einzelnen Lagen zur Verdeutlichung stark übertrieben dick dargestellt sind.
Das Mikroventil 1 besitzt eine erste Scheibe 3, die als die Trägerlage dient, eine zweite darüberliegende Lage 5, die mit der Lage 3 verbunden ist, und eine dritte Lage 7, die mit der zweiten Lage 5 verbunden ist. Auf der obersten Lage 7 ist eine Decklage 9 fest angebracht, z.B. durch Bonden oder eine andere Methode, die sich für das spezielle Material der Decklage eignet. In der untersten Lage 3 ist eine Aussparung 11 ausgebildet. Die darüberliegende zweite Lage 5 ist so strukturiert, daß ein erster Kanal 13 gebildet wird, dessen Boden 15 einen Teil der Abdeckung der Aussparung 11 darstellt. In der darüberliegenden dritten Lage 7 ist ein zweiter Kanal 17 ausgebildet, dessen Boden zum ersten Kanal 13 hin offen ist. Der zweite Kanal 17 umgibt einen Bereich, der einen Ventilteller 19 bildet. Der Ventilteller steht in Verbindung mit einem Bereich 21 der zweiten Scheibe 5, den der erste Kanal 13 umgibt.
Die Abmessungen der ersten und zweiten Kanäle sind so gewählt, daß der Ventilteller 19 den Bereich 21, der vom ersten Kanal 13 umgeben ist, überragt. Dieses heißt auch, daß die Innenabmessungen des zweiten Kanals 17 kleiner sind als die des ersten Kanals 13. Die Außenabmessungen des zweiten Kanals 17 können gleich oder größer sein als die des ersten Kanals 13.
Es ist ersichtlich, daß die Aussparung 11 in der ersten Scheibe 3 durch Bereiche des Bodens 15 des ersten Kanals 13 und durch untere Flächen des Bereichs 21, den der Kanal 13 umgibt, definiert wird.
Der Bereich 21 ist erheblich dicker als der Boden 15 des ersten Kanals 13. Der Boden 15 besitzt eine gewisse Elastizität und kann sich in Richtung der Aussparung 11 nach unten biegen, wie in der Fig. 1 gezeigt.
Die Decklage 9 auf der dritten Scheibe 7 besitzt im wesentlichen vertikale Öffnungen 23, 25, wie in Fig. 1 gezeigt. Diese Öffnungen können in der Decklage nach ihrer Verbindung mit der dritten Lage 7 ausgebildet werden. Wie in der Fig. 3 am besten ersichtlich, ist die zweite Öffnung 25 im allgemeinen zentral bezüglich der Geometrie der unteren gebondeten Scheiben angeordnet. Die äußeren Öffnungen 23 verbinden mit dem zweiten Kanal 17 in der dritten gebondeten Lage 7 und somit auch mit dem ersten Kanal 17 in der zweiten gebondeten Lage 5. Die äußeren Öffnungen 23 können aus einzelnen Durchbrüchen durch die Lage 9 bestehen. Alternativ kann durch geeignetes Anordnen ein durchgehender Ringraum in der Decklage vorgesehen werden, so daß dieser Raum sowohl mit dem zweiten Kanal 17 als auch mit dem ersten Kanal 13 in Verbindung steht. Die zweite Öffnung 25 in der Decklage 9 liegt oberhalb des Ventiltellers 19. Der Ventilteller sperrt zwischen der Öffnung 25 und dem zweiten Kanal 17 und somit auch gegenüber den ersten Öffnungen 23.
Die obere Fläche des Ventiltellers ist mit einer Umfangs- Abdichtschulter 27 versehen, die gegen die obere Umfangskante oder den Umfangsrand der Platte 19 etwas nach innen versetzt ist. Die Höhe der Abdichtschulter 27 ist erheblich kleiner als die Dicke des Ventiltellers 19.
Eine harte Lage 29 ist an der Oberseite oder oberen Fläche des Ventiltellers angebracht, außerdem an der oberen Fläche der Abdichtschulter 27, so daß Abstand zwi schen der oberen Fläche der ursprünglichen Abdichtschulter und der Unterseite der Decklage 9 besteht.
Die Unterseite der zweiten Scheibe 5 kann auch mit einer Isolierlage 35 versehen werden, die ebenfalls vorzugsweise im wesentlichen aus Siliziumoxid besteht. Schließlich kann eine derartige Isolierlage 37 auch zwischen der zweiten Scheibe 5 und der dritten Scheibe 7 vorgesehen werden: Dieses wird aber bei der hier behandelten bevorzugten Ausführungsart nicht gezeigt.
Der Ventilteller ist somit in der nichtbetätigten Stellung, wie in Fig. 1 gezeigt, ein wenig nach unten ausgelenkt, so daß der Boden oder Grund 15 des ersten Kanals 13 ein wenig gebogen ist. Die harte Lage 29 besteht vorzugsweise im wesentlichen aus Siliziumnitrid. Diese harte Lage 29 schützt die Abdichtschulter vor dem Schließen gegen den Strom eines Mediums, das das Ventil durchströmt. Der Strömungsverlauf des durch das Mikroventil beeinflußten Mediums ist in der Fig. 1 mit Pfeilen gezeigt. Das Medium strömt durch die Öffnung 23 in der Decklage oder Deckplatte 9 zu und strömt über den zweiten Kanal 17 der dritten Scheibe 7. In der nichtbetätigten Stellung des Ventiltellers 19 verhindert die Abdichtschulter 27, daß das Medium in die zweite Öffnung 25 einströmt und von dort abströmt.
Die obere Fläche der ersten Scheibe 3, die als die Trägerlage dient, und deren Unterfläche beinhalten jeweils eine dotierte Lage 31 zum Minimieren des Kontaktwiderstandes. Die obere Fläche der ersten Scheibe 3 bei der zweiten Scheibe 5 kann mit einer Isolierlage 33 versehen werden, die vorzugsweise im wesentlichen aus Siliziumoxid besteht.
Die Unterseite der zweiten Scheibe 5 kann auch mit einer Isolierlage 35 versehen werden, die ebenfalls vorzugsweise im wesentlichen aus Siliziumoxid besteht. Schließlich kann eine derartige Isolierlage 37 auch zwischen der zweiten Scheibe 5 und der dritten Scheibe 7 vorgesehen werden: Dieses wird aber bei der hier behandelten bevorzugten Ausführungsart nicht gezeigt.
Betätigung des Ventils kann piezoelektrisch, magnetisch, hydraulisch, pneumatisch oder durch irgendeine Kombination der genannten Verfahren erfolgen.
Die Trägerlage 3 und die zweite Scheibe 5 sind mit einer vorzugsweise regelbaren Spannungsquelle 39 verbunden. Die Dotierung 31 in der Trägerlage soll den Kontakt mit dieser Spannungsquelle verbessern.
Die durch die Isolierlagen 33 und 35 voneinander getrennten Scheiben 3 und 5 bilden die Platten eines Kondensators.
Bei Anlegen einer Spannung zwischen den Platten des Kondensators ziehen die Platten sich gegenseitig an. Infolge der Elastizität des Bodens 15 des ersten Kanals 13 ist der Bereich der zweiten Scheibe 5, der die Aussparung 11 in der ersten Scheibe 3 abdeckt, beweglich. Immer dann, wenn die Spannungsquelle 39 gegenseitiges Anziehen der Kondensatorplatten bewirkt, bewirkt somit die Anziehungskraft im Bereich 21, der von dem ersten Kanal 13 umgeben ist, daß dieser in Richtung des Bodens der Aussparung 11 nach unten geht, wodurch der Boden 15 des ersten Kanals 13 ausgelenkt wird. Durch das Absenken des Bereiches 21 wird auch der Ventilteller 19 nach unten verschoben, so daß die Abdichtschulter 27 von der Unterseite der Deckplatte oder Decklage 9 abhebt. Dadurch entsteht eine Verbindung zwischen der ersten Öffnung 23 und der zweiten Öffnung 25 über den zweiten Kanal 17.
Immer dann, wenn die Spannung zwischen den Kondensatorplatten, d.h. Scheibe 3 und Scheibe 51 abgenommen wird, ziehen sich die Platten nicht mehr an, und infolge der Elastizität des Bodens 15 des ersten Kanals 13 wird der Ventilteller 19 in seine Ausgangsstellung zurückgebracht, so daß die Abdichtschulter 27 zwischen der ersten Öffnung 23 und der zweiten Öffnung 25 sperrt.
Alternativ kann, wie in der Fig. 4 gezeigt, das Ventil als eine Vorrichtung mit drei Anschlüssen ausgebildet werden für Anlegen einer elektrostatischen Spannung. Beim Anlegen von Spannung an Lage 9 und Lage 5 + 7 über ein Oxid 2 wird das Ventil schneller schließen.
Die Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Mikroventil nach Fig. 1, aber etwas schematischer. Gleiche Elemente sind mit gleichen Kenn-Nummern bezeichnet.
Diese Abbildung soll wiederum, jedoch deutlicher zeigen, wie Auslenkung der Abdeckung der Aussparung 11 bei einer angelegten Spannung erfolgt.
Der Abstand zwischen dem Grund oder Boden des Bereichs 21 und der unteren Fläche der Aussparung 11 ist wesentlich kleiner als in Fig. 1. Somit wird der Ventilteller 19 von der Unterseite der Decklage 9 abgehoben, und die Abdichtschulter 27 gibt eine Verbindung zwischen der ersten Öffnung 23 und der zweiten Öffnung 25 frei. Ein der ersten Öffnung 23 zuströmendes Medium kann über diese Öffnung und den zweiten Kanal 17 in der dritten Scheibe 7 zur zweiten Öffnung 25 strömen und von dort über die Deckplatte 9 nach außen.
Die Auslenkung des Ventiltellers ist stark übertrieben dargestellt. Der Arbeitsweg des Ventiltellers beträgt bei der gezeigten Ausführungsart in Wirklichkeit ungefähr 5 Mikrometer. Die Trägerlage ist zusammen mit den zweiten und dritten Lagen ungefähr 0,6 mm dick. Die Aussparung 11, der erste Kanal 13, der zweite Kanal 17, die Abdichtschulter 27 und der Ventilteller 19 sind vorzugsweise im wesentlichen kreisförmig. Die Form der zweiten Öffnung 25 ist für die Funktion des Ventils nicht kritisch. Es muß nur sichergestellt sein, daß die Innenabmessungen dieser Öffnung 25 kleiner sind als die Innenabmessungen bzw. der Durchmesser der Abdichtschulter 27, die sich an die Unterseite der Decklage 9 dicht anlegen können muß. Bei der hier gezeigten Ausführungsart beträgt der Durchmesser der Abdichtschulter vorzugsweise ungefähr 3,6 mm, und der Durchmesser am Außenrand der ersten Öffnung 23 sowie der Außendurchmesser des zweiten Kanals 17 betragen jeweils ungefähr 10 mm.
Entsprechend der Darstellung in den Fig. 1 und 2 ist das Ventil Teil einer größeren Gruppe, es ist aber auch möglich, das Ventil separat auszuführen, wie in der auseinandergezogenen Darstellung von Fig. 3 deutlich gezeigt.
Die erwähnte Fig. 3 zeigt wiederum die Struktur der einzelnen Lagen. Auch hier tragen gleiche Elemente die gleichen Kenn-Nummern.
Die erste Scheibe 3, die als Trägerlage dient, ist hier eine im wesentlichen zylindrische Platte mit einem kreisförmigen "Trog" oder Aussparung 11 in der Mitte. Die zweite Scheibe, die unstrukturiert an der ersten Scheibe angebracht wird, wurde mit einem Ringkanal versehen, so daß lediglich eine äußere Umfangswand 41 und ein zentraler zylindrischer Bereich 21, definiert durch den ersten Kanal 13, verbleiben. Ein Teil des Bodens 15 des Bereichs 21 dient zum Abdecken der Aussparung 11.
Oben auf der ersten Scheibe 3 liegt eine Isolierlage 33. Wie die Darstellung von Fig. 3 zeigt, kann auf die Isolierlage 33 unten an der zweiten Scheibe 5 verzichtet werden.
Schon eine einzige Isolierlage 33 oder 35 gewährleistet elektrische Trennung der beiden Kondensatorplatten, die durch die erste Scheibe 3 und die zweite Scheibe 5 gebildet werden. Ferner ist gewährleistet, daß bei starker Verbiegung des Bodens 15 des Kanals 13 ein Kontakt zwischen Aussparung und Oberfläche 11 sich nicht schädlich auswirkt.
Nach dem Ausbilden des zweiten Kanals 17 besteht die dritte Scheibe 7 aus einem Ring 43 und dem Ventilteller 19, definiert durch dessen Umgebungskanal 17.
Die Abdichtschulter 27 ist an der oberen Fläche des Ventiltellers 19 zu erkennen. Die harte Schicht 29, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, ist in der Fig. 3 für bessere Übersichtlichkeit weggelassen.
Schließlich wird oberhalb der dritten Lage 7 die Decklage 9 vorgesehen. Nach der Verarbeitung besitzt die Decklage 9 einen Ringkanal, der die ersten Öffnung 23 bildet und eine kreisförmige zweite Öffnung 25. Hier ist ersichtlich, daß der Innendurchmesser der Öffnung 25 kleiner ist als der Innendurchmesser der Abdichtschulter 27, so daß die letztere sich an die Unterseite der Deckplatte 9 dicht anlegen kann.
Nach der obigen Beschreibung der Aufbauschritte beim Herstellen des Mikroventils 1 dürfte die durch das hier beschriebene Herstellungsverfahren erzielte Vereinfachung bereits klar sein.
Beim Herstellen des Mikroventils werden die einzelnen Scheiben nacheinander aneinander gebondet. Vor dem Bonden werden die Oberflächen der Scheiben poliert, so daß eine glatte Oberfläche entsteht. Vor dem Strukturieren oder Profilieren der Oberfläche einer Lage ist die Oberfläche bereits zum Bonden mit der nächsten Lage vorbereitet und poliert. Die Oberflächenvorbereitung für zu bondende Scheiben muß entsprechend dem speziellen gewählten Bondierungsverfahren erfolgen. Beispiel: Für direktes Silizium-Silizium-Bonden ist Oberflächen-Hydration erforderlich.
An jede Scheibe wird eine weiter Scheibe mit oder ohne Oberflächenstruktur gebondet. So wird beispielsweise nach dem Ätzen oder sonstigen Ausbilden der Aussparung 11 in der Trägerlage 3 eine weitere Scheibe, nämlich die zweite Scheibe 5, an die Trägerlage gebondet. Die Scheibe 5 ist dann noch nicht strukturiert, so daß die Ausrichtung der zweiten Scheibe 5 auf die erste Scheibe 3 problemlos erfolgen kann. Der überragende Bereich 21, der durch den umgebenden Kanal 13 definiert ist, soll für optimale Verteilung der Kräfte zentral über der Aussparung 11 der ersten Scheibe 3 liegen. Da der Kanal erst nach dem Bonden der zweiten Scheibe ausgebildet wird, können die Lagen problemlos justiert oder ausgerichtet werden. An die zweite Scheibe 5 wird eine durchgehende Lage, nämlich die dritte Scheibe 7, gebondet. Erst nach diesem Bonden wird der zweite Kanal 17 in die dritte Scheibe eingeätzt. Es ist klar, daß durch diese Vorgehensweise besondere Vorteile erzielt werden, da es nach dem Strukturieren der dritten Scheibe 3 entsprechend Fig. 3 zwei Elemente gibt: Ring 43 und Ventilteller 19. Das Ausrichten oder Justieren dieser zwei Elemente wäre erheblich schwieriger, wenn die Elemente vor dem Bonden der Lage 3 definiert worden wären. Es ist aber zu berücksichtigen, daß alle geätzten Merkmale jeder Lage vor dem Bonden jeder Lage definiert werden können; entsprechende Merkmale jeder Lage müssen dann während des Bondens ausgerichtet werden.
Die gleichen Vorteile gelten für das Anordnen der Decklage 9, die jedoch grundsätzlich in strukturierter Form angebunden werden kann.
Die Decklage 9 kann aus PYREX-Glas oder einem anderen geeignet gehärteten Material bestehen. Die Verbindung mit der darunterliegenden Lage erfolgt vorzugsweise durch anodisches Bonden oder durch irgendein anderes für die Zusammensetzung der Decklage geeignetes Verbindungsverfahren.
Die erwähnte Decklage kann auch genauso wie alle anderen Lagen aus Silizium bestehen, und in diesem Falle können die konventionellen Mittel zum Bonden von zwei Siliziumlagen benutzt werden.
Die Festigkeit der gebondeten Siliziumlagen im fertigen Ventil entspricht der eines Einkristalls, so daß ein hohes Maß an mechanischer Stabilität erzielt wird. Da alle Lagen aus dem gleichen Material, d.h. Silizium, bestehen, können im Betrieb des Ventils keine Wärmespannungen entstehen. Selbst dann, wenn PYREX-Glas für die Decklage 9 verwendet wird, entstehen Wärmespannungen praktisch nicht, weil die thermischen Eigenschaften dieses Materials denen von Silizium sehr ähnlich sind. Alle hier beschriebenen Strukturen können mit konventionellen Ätzverfahren in den Lagen ausgebildet werden.
Beim Herstellen der Abdeckung der Aussparung 11 in der ersten Scheibe 3 in Form des Bodens 15 von Kanal 13 in der zweiten Scheibe 5 kann die Dicke des Bodens durch geeignete Wahl der Ätzzeit bestimmt werden. Es ist auch möglich, das Material der zweiten Scheibe 5 mit einer Lage 45 zu versehen, Z.B. einer hoch dotierten Lage (siehe Fig. 1), so daß selektives Ätzen zwischen dem Material der Lage 5 und dem Materialen im Bereich 45 während des Ätzens des Kanals 13 in Lage 5 möglich ist. Wird die Lage 45 selektiv geätzt, so endet das Ätzen des Kanals 13, sobald diese Lage erreicht wird. Man kann somit die Dicke des Bodens des Kanals, die Biegeeigenschaften und die mechanischen Eigenschaften des Ventils "maßschneidern". Gleiches läßt sich auch mit elektrochemischen Ätz-Stop-Verfahren erreichen.
Während des Ätzens des zweiten Kanals 17 in der dritten Scheibe 7 wird nicht nur die Tiefe des Kanals, sondern auch dessen Breite beeinflußt. Während das Ätzmittel in die Tiefe ätzt, werden auch die Seitenwände des Kanals angegriffen. Die Abmessungen des Außenrandes des Ventiltellers 19 werden somit nicht genau definiert. Aus diesem Grunde bildet man an der oberen Fläche des Ventiltellers, vorzugsweise in einem gesonderten Arbeitsgang, die Abdichtschulter 27 durch Ätzen des kreisförmigen Bereiches innerhalb der Abdichtschulter und des umgebenden Ringbereiches aus. Das Horizontalmaß der Abdichtschulter kann sehr präzise gewählt werden, weil hier die Ätztiefe der Höhe der Abdichtschulter 27 entspricht. Die Abmessungen der Abdichtschulter sind somit viel genauer festlegbar als die der Außenkanten, der Außenabmessungen, des Ventiltellers 19.
Der Radius der Abdichtschulter ist dann besonders wichtig, wenn Druckausgleich am Ventilteller erzielt werden soll. Dieses heißt, daß so weitgehend wie möglich sichergestellt werden soll, daß die Kräfte, die auf den Ventilteller 19 von oben wirken, denjenigen entsprechen, die auf ihn von unten wirken.
Bei Schließen des Ventils erfolgt Druckaufbau durch das Medium, welches über die erste Öffnung 23 in den Ringraum strömt, der um den Ventilteller herum und unter dem Ventilteller durch den ersten Kanal 13 und zweiten Kanal 17 gebildet wird. Der Druck wirkt im wesentlichen auf den Bereich des Bodens 15 des ersten Kanals 13, der gleichzeitig die Aussparung 11 abdeckt.
Die Fig. 2 zeigt, daß dieser Ringbereich des Bodens 15 ungefähr zwischen dem Außenradius r0 des Bereichs 21, der von dem Kanal 13 umgeben ist, und dem Außenradius R der Aussparung 11 ausgebildet ist. Der über die Öffnung 23 wirkende Druck versucht, diesen Ringbereich des Bodens 15 nach unten zu biegen, d.h. den Ventilteller von der Deckplatte 9 abzuheben. Gleichzeitig übt dieser über die Öffnung 23 wirkende Druck eine Kraft nach oben auf einer Oberfläche aus, die zwischen dem Außenradius r2 der Abdichtschulter 27 und dem Außenradius r0 des Bereiches oder Schaftes 21, auf dem der Ventilteller 19 gelagert ist, liegt. Diese ringförmige Unterfläche des Ventiltellers 19 mit Begrenzung durch die Radien r0 und r2 dient als Druckkompensationsfläche für die Ringfläche des Bodens 15 des ersten Kanals 13, definiert durch die Radien r0 und R.
Die Ringfläche des Bodens 15 und die Ringfläche des Ventiltellers 19 sind bezogen aufeinander so dimensioniert, daß die Druckkräfte im wesentlichen ausgeglichen oder kompensiert werden.
Die Dicke der ringförmigen Abdichtschulter 27 ergibt sich, wie in der Fig. 2 gezeigt, aus der Differenz zwischen den Radien r1 und r3. Der Außenradius des Ventiltellers 19 ist in der Fig. 2 mit rP bezeichnet.
Druckausgleich wird auch einerseits durch Gegendruck in der zweiten Öffnung 25 und andererseits durch den in der Aussparung 11 herrschenden Druck bewirkt. Der Gegendruck wirkt auf die Oberfläche des Ventiltellers 19 innerhalb der Abdichtschulter 27. Hierbei ist der Innenradius r1 der Abdichtschulter bestimmend. Der von unten auf den Ventilteller wirkende Druck wird durch den Radius R der Aussparung 11 bestimmt.
Für optimalen Ausgleich des Druckes von unten auf den Ventilteller 19 ist wichtig, daß der Radius R der Aussparung 11, infolge von deren geringer Tiefe, sehr präzise eingestellt werden kann.
Über die Wahl der verschiedenen in Fig. 2 gezeigten Radien ist nicht nur Druckausgleich möglich, vielmehr auch Einstellen der mechanischen und dynamischen Kennwerte des Ventils.

BETRIEB

Bei der bisher dargestellten und beschriebenen Ausführungsart erfolgt Betätigung, indem unter dem Ventilteller 19 ein elastischer Bereich des Bodens 15 des ersten Kanals 13 vorgesehen wird, der Teil einer Kondensatorplatte ist. Grundsätzlich wäre es auch möglich, auf der entgegengesetzten Seite des Ventiltellers 19, d.h. der Oberseite, ein zusätzliches Betätigungsmittel durch mechanische Kopplung vorzusehen. Der Ventilteller könnte durch zweiseitige Betätigung zwischen zwei stabilen Stellungen rückwärts und vorwärts bewegt werden.
Statt des Kondensators können andere Betätigungsmittel vorgesehen werden. Möglich wäre beispielsweise das Nutzen von Überdruck in der Aussparung 11 zum Verstellen des Ventiltellers nach oben von einer offenen Stellung im nichtbetätigten Zustand in die geschlossene Stellung. Der Überdruck könnte beispielsweise durch Erwärmen eines in der Aussparung 11 eingeschlossenen Mediums oder durch sonstige pneumatische Kräfte erzeugt werden.
Die hier veranschaulichte Ausführungsart ist dadurch gekennzeichnet, daß das gesteuerte Medium über die erste Öffnung 23 zugeführt wird, die auf der gleichen Seite des Mikroventils wie die Austrittsöffnung 25 liegt. Es wäre aber auch möglich, das Medium über einen Kanal in der dritten Scheibe 7, einen Kanal in der zweiten Scheibe 5 oder eine Öffnung in der ersten Scheibe 3 zuzuleiten. Das hier beschriebene Ventil kann entweder für flüssige oder gasförmige Medien benutzt werden. Es eignet sich u.a. zum Gebrauch als Kraftstoffeinspritzventil oder als Vorsteuerstufe von Servoventilen.
Beim Ätzen von tiefen Strukturen können auch die Randbereich angegriffen werden, so daß es schwierig ist, die Abmessungen der Rand- oder Wandbereiche genau vorherzubestimmen, aber die Bauweise des erfindungsgemäßen Ventiltellers stellt sicher, daß die hydraulisch wirksamen Oberflächen und somit die auf das bewegliche Ventil ausgeübten Kräfte kontrolliert und kompensiert werden können. Dieses wird insbesondere dadurch erreicht, daß die Höhe der Abdichtschulter 27 erheblich kleiner als die Dicke des Ventiltellers 19 gewählt wird, so daß beim Ausätzen der Abdichtschulter deren Radien genau vorherbestimmt werden können. Die Tatsache, daß diese Radien im Rahmen enger Toleranzen gehalten werden können, bedeutet, daß das Ventil selbst bei hohen Betriebsdrücken, die ansonsten zu unkontrollierbar großen Kräften führen würden, regeln und steuern kann. Es können somit sogar hohe Hydraulikdrücke mit dem erfindungsgemäßen Ventil beeinflußt werden.

Beispiel

Bei dem Verfahren zum Realisieren des Ventilkonzeptes erfolgt wäßriges Bonden in drei Schritten ohne Verwendung eines Dichtrings. Am Anfang des Fertigungsablaufs (Fig.5) für das Ventil steht eine erste Scheibe des n-Typs oder p-Typs. Zum Zwecke der Veranschaulichung wird eine 4-Zoll-Siliziumscheibe 0,5 - 2,0 Ohm-cm < 100> n-Typ angenommen. Die Scheibe wird zum hohen Dotieren der Oberfläche eineinhalb Stunden lang in einen Phosphor-Diffusionsofen mit 925ºC gegeben. Dieser Schritt erfolgt, um sicherzustellen, daß guter elektrischer Kontakt zum Betätigen des Ventils hergestellt werden kann. Nach einem einstündigen "Drive-in" bei 950ºC wird die Scheibe von dem phosphor-dotierten Glas abgelöst, und wird eine thermische Oxidschicht mit einer Dicke von 1000 Angström gezüchtet. Nach dem Mustern des Maskierungsoxids wird die Scheibe ca. 22 Minuten lang in eine 20%-ige KOH-Lösung (Kaliumhydroxidlösung) auf 56ºC gegeben zum Ätzen von kreisförmigen, ausgesparten Elektroden oder Hohlräumen mit einer Tiefe von 5 Mikrometern und einem Durchmesser von 3,6 mm. Alternativ kann als Naßätzmittel ein anderes anisotropes Ätzmittel oder ein isotropes Ätzmittel benutzt werden, aber für bestimmte Anwendungen kann der Hohlraum auch mit Plasma (heißes Gas) geätzt werden. Das Maskierungsoxid wird dann abgelöst, und auf der Scheibe wird ein thermisches Oxid mit einer Dicke von ca. 1,6 Mikrometer gezüchtet. Diese dicke Lage Siliziumdioxid dient als das isolierende Dielektrikum bei elektro-statischer Betätitung und schützt außerdem die Scheibe bei den sich anschließenden Siliziumätzungen.
Die zweite Scheibe kann eine Siliziumscheibe des n-Typs oder p-Typs sein, falls chemische oder mechanische Mittel zum Ausdünnen eingesetzt werden, werden aber elektrochemische Mittel zum Rückätzen benutzt, so wird eine p-Typ- Scheibe mit n-Typ-Diffusion bevorzugt. Ist die vorerwähnte erste Scheibe eine n-Typ-Scheibe, so wird eine zweite 4-Zoll-Siliziumscheibe, (200) p-Typ 10-20 Ohm-cm, an die Vorderseite der ersten Scheibe thermisch gebondet. Die zwei Scheiben werden vor dem Bonden mit einem Standard-Voroxidationsreiniger (beispielsweise "RCA dean") gereinigt und anschließend durch Eintauchen in eine Schwefelsäure:Wassersstoffperoxid-Lösung 3:3 hydratisiert. Die Scheiben werden in entionisiertem Wasser (DI) gespült, bis der spezifische Widerstand des Wassers wenigstens 15 Mohm-cm erreicht. Nach Schleuderung und Trocknung werden die polierten Oberflächen der Scheiben in engen Kontakt zueinander gebracht. Die Scheiben werden mit einem Infrarot-Prüfsystem auf Poren untersucht. Ist die Bondstelle porenfrei, so werden die zwei zusammengesetzten Scheiben zum abschließenden Bonden eine Stunde lang in einen Trockenoxidationsofen gegeben.
Die Anfangstemperatur im Ofen beträgt vorzugsweise 600ºC und wird langsam auf 1000ºC gesteigert. Während dieses Schrittes strömt reiner Stickstoff in der Röhre. Nach Erreichen von 1000ºC wird auf reinen Sauerstoff umgestellt und werden die Scheiben eine Stunde lang in diesem Gas und bei dieser Temperatur getempert. Danach wird das Teil dem Ofen entnommen, und werden die gebondeten Scheiben noch einmal mit dem Infrarot-Prüfsystem kontrolliert. Die gebondeten Scheiben werden dann ca. 23,5 Stunden lang in eine 20%-ige KOH-Lösung auf 56ºC gegeben, und die zweite Scheibe wird auf eine resultierende Dicke von ca. 75 Mikrometer rückgeätzt. Die Oberfläche der rückgeätzten Scheibe wird anschließend mechanisch spiegelglatt poliert. Die resultierende Dicke der zweiten Siliziumscheibe beträgt ca. 50 Mikrometer. Ein Maskierungsoxid (LTO) wird in einer Dicke von ca. 5000 Angström auf der frisch polierten Oberfläche abgelagert und anschließend wird gemustert. Die Scheibe wird dann mit einer 20%-igen KOH-Lösung auf 56ºC ungefähr eineinhalb Stunden lang geätzt und bildet dann die Basis des Ventils.
Nach dem Ablösen des Maskierungsoxids wird eine dritte 4-Zoll-Siliziumscheibe, (100) p-Typ 10-20 Ohm-cm, an die polierte Oberfläche der zweiten Scheibe thermisch gebondet. Das Bonden erfolgt genauso, wie vorstehend beschrieben. Nach dem Bonden wird die Struktur des Verbundteils mit dem Infrarot-Prüfsystem untersucht. Bei dieser Prüfung wird die an die dritte Scheibe gebondete Schaftbasis deutlich gezeigt.
Die dritte Scheibe wird in einer 20-%igen KOH-Lösung bei 56ºC auf eine resultierende Dicke von ca. 75 Mikrometer rückgeätzt. Eine 5000 Angström dicke Oxidschicht wird auf der Oberfläche der dritten Scheibe in Form eines LTOoder ACVD-Oxids abgelagert. Anschließend wird die Scheibe gemustert und geätzt in einer 20%-igen KOH-Lösung auf 56ºC, wird die oberste Lage geformt, das Ventil freigegeben. Die Scheibe wird in einzelne Ventile zerteilt, und diese werden anschließend mit einer Deckplatte aus Glas, die Eintritts- und Austrittskanäle enthält, abgeschlossen.
Es ist gelungen, das Ventil ohne Dichtring herzustellen. Außerdem wurde festgestellt, daß dann, wenn zwei Scheiben zusammengebondet werden, wobei eine Scheibe einen eingeätzten Hohlraum besitzt und die zweite Scheibe auf eine relativ dünne Lage zurückgenommen ist und wenn abschließend das Verbundteil einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, plastische Verformung des Siliziums erfolgt. Dieses ist auf die Ausdehnung der im Hohlraum eingeschlossenen Gase infolge Erhitzung und die erheblich erniedrigte Streckgrenze von Silizium bei höheren Temperaturen zurückzuführen. Es wurde festgestellt, daß die Schwelle für das Einsetzen von plastischer Verformung bei Silizium zwischen 800 und 850ºC liegt. Aus diesem Grunde muß das zum Maskieren benutzte Material bei einer Temperatur unter 800ºC abgelagert oder gezüchtet werden. Zum Maskieren der zweiten Scheibe wurde ein Niedertemperatur- Oxid mit chemischer Dampfablagerung benutzt, zum Maskieren der dritten Scheibe ein Oxid mit atmosphärischer chemischer Dampfablagerung. Jeder dieser Filme wurde bei einer Temperatur von 400ºC aufgebracht.
Der komplette Mikroventil-Prototyp ohne Dichtring wurde in Luft mit Spannungen unter 350 Volt erfolgreich betätigt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren hat sich auch beim Herstellen von abgeschlossenen Hohlräumen mit Restgasdruck als nützlich erwiesen.

Restdruck in abgeschlossenen Hohlräumen

Beim Bonden einer Siliziumscheibe mit Hohlräumen an eine andere Siliziumscheibe werden Gase im abgeschlossenen Hohlraum eingeschlossen. Wichtig war, den Restdruck dieses eingeschlossenen Gases für das Modellieren des Ventilverhaltens zu bestimmen. Ausgehend von Siliziumscheiben, < 100> p-Typ, wurde Phosphor zum elektrochemischen Ätzstopp in die Scheiben diffundiert. Diese Scheiben wurden dann an andere Siliziumscheiben mit kreisförmigen Hohlräumen im Tiefenbereich 30 bis 50 Mikrometer gebondet. Nach selektivem Abtragen des Oxids an der Rückseite der phosphor-dotierten Scheiben wurden die Scheiben in KOH auf eine resultierende Dicke von 50 Mikrometer abgeätzt. Danach erfolgt elektrochemisches Ätzen der Scheiben in KOH bis auf eine glatte Decklage Silizium mit einer Dicke von 8,0 ± 0,2 Mikrometer über dem abgeschlossenen Hohlraum. Die Dicke dieser Lage wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) verifiziert. Unmittelbar nach dem Ätzen wird Auslenken der Decklage im Hohlraum festgestellt, woraus zu schließen ist, daß der Restdruck unter dem atmosphärischen Wert liegt. Die Auslenkungen der Silizium-Decklage wurden mit einem kalibrierten Mikroskop gemessen. Nach der Theorie über große Auslenkungen kreisförmiger Platten besteht die folgende Beziehung zwischen der maximalen Auslenkung der kreisförmigen Platte und der Druckdifferenz an der Platte:

w = .662 a³ (qa/ET)1/3

Dabei ist E der Elastizitätsmodul von Silizium, a der Radius des kreisförmigen Hohlraums, t die Dicke der Decklage.
Beim Aufstellen der obigen Gleichung wurde von vernachlässigbarer Restspannung in der Siliziumlage ausgegangen. Die Druckdifferenz an der Platte hängt von der Auslenkung der Decklage in dem Hohlraum ab und ist gegeben durch:
Q = PATM - (P&sub1;V&sub1;/V&sub1;-Delta V)
Dabei ist PATM der atmosphärische Druck, P&sub1; und V&sub1; der Anf angsdruck bzw. das Anfangsvolumen des Hohlraums und ΔV die Änderung des Hohlraumvolumens. Es wird angenommen, daß die Decklage sich kugelförmig verformt. Berechnete Werte für den Restdruck in den untersuchten Hohlräumen finden sich in der Tabelle 1: Der mittlere Restdruck beträgt, wie aus der Tabelle hervorgeht, 0,79 Atmo-sphären. TABELLE 1. RESTDRUCK IN ABGESCHLOSSENEN HOHLRÄUMEN SCHEIBE MITTLERE TIEFE DES HOHLRAUMS MITTLERE AUSLENKUNG DER DECKLAGE RESTDRUCK IM HOHLRAUM

Plastische Verformung von schwach dotiertem Silizium

Bei der Hochtemperaturbehandlung einer gebondeten Scheibe mit einem abgeschlossenen Hohlraum dehnt sich das eingeschlossene Gas aus und wird die Abdecklage über die Streckgrenze hinaus belastet. Nach Entnahme der Scheibe aus dem Ofen und Abkühlen wird festgestellt, daß in der Abdecklage eine Restdehnung vorliegt, wie man deutlich auf dem Rasterelektronenmikroskopbild (SEM-Bild) in der Abbildung 7 unseres IEE-Vortrags vom Juni 1990 erkennt. Über das Auftreten plastischer Verformung bei schwach dotiertem Silizium und hoch dotiertem Silizium ist an anderer Stelle berichtet worden. Es interessierte festzustellen, bei welcher Temperatur die plastische Verformung in schwach dotiertem Silizium einsetzt. Dazu wurden gebondete Probescheiben mit Hohlräumen hergestellt, und wurden die Scheiben bei verschiedenen Temperaturen in einen Ofen gegeben. Die Scheiben wurden ausgehend von 600ºC eine Stunde lang in Stickstoff getempert, danach entfernt. Die Änderung der Auslenkung der Abdecklage des Hohlraums wurde dann mit einem kalibrierten Mikroskop bestimmt. Die Scheiben wurden in den Ofen zurückgegeben, diesmal mit der Temperatur 650ºC, nach einer Stunde entnommen und wieder vermessen. Dieser Vorgang wurde wiederholt mit schrittweiser Steigerung der Temperatur um 50ºC bis zur Endtemperatur 1000ºC. Es wurde festgestellt, daß plastische Verformung zwischen 800 und 850ºC einsetzt. Es ist berichtet worden, daß das Einsetzen plastischer Verformung stark von der Menge der Sauerstoffablagerungen im Silizium abhängt, und deshalb kann die beobachtete Einsetztemperatur erheblich variieren, je nach den Scheiben und dem Verfahren.
Aus den obigen Versuchen wurde gefolgert, daß Hochtemperaturverarbeitung der Gerätescheiben immer dann vermieden werden muß, wenn in den gebondeten Scheiben ein abgeschlossener Hohlraum vorliegt ist. Infolge dessen war das zum Mustern der gebondeten Siliziumlage 2 und der Lage 3 benutzte Maskierungsoxid ein Oxid mit niedriger Ablagerungstemperatur. Es wurde auch festgestellt, daß das Bonden der Lage 3 an das Verbundteil aus Lage 1 und Lage 2 Temperung bei hoher Temperatur erfordert. In diesem Falle trägt aber der Druckausgleich des Ventils zum Verhindern einer bleibenden Verformung des Ventils bei.
FIG. 1
FIG. 2
FIG. 3
FIG. 4
FIGUR 5. Ablauf der Ventilfertigung
(a) Wanne in Siliziumsubstrat ätzen
(b) Oxid züchten und Scheibe bonden
(c) Scheibe Nr. 2 rückätzen und mustern
(d) Scheibe Nr. 3 bonden
(e) Scheibe Nr. 3 mustern
(f) Fertiges Ventil
FIGUR 6. Ventilabmessungen

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils durch Zusammenbonden mehrerer Lagen, von denen jede obere und untere Hauptoberflächen aufweist, wobei eine erste Lage durch eine erste Scheibe (3) gebildet wird, die als eine Trägerlage dient, und wobei die weiteren Lagen profiliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (5, 7, 9) an ihren jeweiligen Unterseiten nacheinander gebondet werden und Profilieren der Oberseite jeder Scheibe nach dem Bonden zum Ausbilden einer Struktur erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede sukzessiv gebondete Scheibe anfänglich unstrukturiert ist und die erwähnte Struktur erst nach dem Bonden der erwähnten Scheibe und vor dem Bonden irgendwelcher folgender Scheiben geformt wird, so daß es nicht erforderlich ist, die Strukturen von benachbarten Scheiben vor dem Zusammenbonden benachbarter Scheiben auszurichten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daßvor dem Bonden einer folgenden Scheibe an die erwähnte erste Scheibe eine Aussparung (11) in der erwähnten ersten Scheibe (3) geformt wird zum Gebrauch als Bestandteil eines Ventilbetätigungsmittels (3, 5, 15, 21, 39).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Formungsschritt im Formen einer kreisförmigen Aussparung (11) besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 3, zusätzlich umfassend das Bonden einer zweiten Scheibe (5) an die erwähnte erste Scheibe (3) und Formen in der erwähnten zweite Scheibe (5) eines ersten Kanals (13), der die erwähnte Aussparung (11) teilweise überbrückt und dadurch eine flexible elastische Abdeckung (15) über der erwähnten Aussparung (11) definiert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Kanalformungsschritt das Formen eines Ringkanals (13), konzentrisch mit der erwähnten Aussparung, umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, weiter umfassend das Bonden einer dritten Scheibe (7) an die erwähnte zweite Scheibe (5) und Formen in der erwähnten dritten Scheibe (5) eines zweiten Kanals (17), der mit dem erwähnten ersten Kanal (13) kommuniziert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Schritte zum Formen der erwähnten ersten und zweiten Kanäle das Formen des erwähnten zweiten Kanals (17) in Ringform mit einer Innenbreite kleiner als die Innenbreite des erwähnten ersten Kanals (13) umfassen, sowie Formen des erwähnten zweiten Kanals (17) mit einem Durchmesser, der zumindest so groß ist wie der Durchmesser des erwähnten ersten Kanals (13).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Schritte zum Formen der erwähnten ersten und zweiten Kanäle das Formen des erwähnten zweiten Kanals (17) konzentrisch mit dem erwähnten ersten Kanal (13) umfassen.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Schritte zum Formen der erwähnten ersten und zweiten Kanäle das Definieren im erwähnten zweiten Kanal (17) einer nach oben ragenden ringförmigen Abdichtschulter (27) in einem Bereich (19) der erwähnten dritten Scheibe (7), die von dem erwähnten zweiten Kanal (17) umgeben ist, umfassen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend das Vorsehen einer harten Oberfläche (19) in dem erwähnten umgebenen Bereich (19).

12. Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend das Bonden einer unstrukturierten Decklage (9) an die erwähnte dritte Scheibe (7) und Formen in der erwähnten Decklage einer ersten Öffnung (23), die mit dem erwähnten zweiten Kanal (17) kommuniziert, und einer zweiten Öffnung (25), die von der erwähnten ersten Öffnung (23) distanziert ist und mit dem erwähnten Bereich (19, 21), der im erwähnten zweiten Kanal (17) ausgebildet ist, ausgerichtet ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Öffnungsformungsschritt das Formen der erwähnten zweiten Öffnung (25) mit einem Außenradius, der kleiner ist als ein Innenradius (rl) der erwähnten Abdichtschulter (27), umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnten Profilierungsschritt das Ätzen einer Oberfläche einer Scheibe, entfernt von einer Oberfläche, über die die erwähnte Scheibe an eine benachbarte Scheibe gebondet wird, umfaßt.

15. Mikroventil aus mehreren zusammengebondeten Lagen mit einer ersten Scheibe (3), die als Trägerlage dient, gekennzeichnet durch

eine zweite Scheibe (5), die an die erwähnte erste Scheibe gebondet ist und einen zentralen Vorsprung (21) besitzt, der durch einen umgebenden ersten Kanal (13) definiert ist;

eine dritte Scheibe (7), die an die erwähnte zweite Scheibe (5) gebondet ist und einen an den erwähnten Vorsprung (21) befestigten Ventilteller (19) einschließt;

und eine Decklage (9), die an die erwähnte dritte Scheibe (7) gebondet ist und eine Unterseite einschließt, die für Kontakt mit dem erwähnten Ventilteller (19) eingerichtet ist.

16. Mikroventil nach Anspruch 15, weiter umfassend eine Abdichtschulter (27), die an einer Oberseite des erwähnten Ventiltellers (19) ausgebildet ist, distanziert von einem Umfangsrand desselben und eingerichtet für Kontakt mit der erwähnten Unterseite der erwähnten Decklage (9).

17. Mikroventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der erwähnten Abdichtschulter (27) erheblich kleiner ist als die Dicke des erwähnten Ventiltellers (19).

18. Mikroventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberseite des erwähnten Ventiltellers (19) neben der erwähnten Unterseite der erwähnten Decklage (9) mit einer harten Lage (29) beschichtet ist.

19. Mikroventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte harte Lage im wesentlichen aus Siliziumnitrid besteht.

20. Mikroventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Decklage (9) im wesentlichen aus PYREX-Glas besteht, alle übrigen Lagen (3, 5, 7) im wesentlichen aus Silizium bestehen.

21. Mikroventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß alle erwähnten Lagen (3, 5, 7,9) im wesentlichen aus Silizium bestehen.

22. Mikroventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierlage (33, 35) vorgesehen ist an zumindest von:

einer Oberfläche der erwähnten ersten Lage (3), benachbart zu der erwähnten zweiten Lage (5)

und

einer Oberfläche der erwähnten zweiten Lage (5), benachbart zu der erwähnten ersten Lage (3).

23. Mikroventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierlage (33, 35) vorgesehen ist an zumindest von:

einer Oberfläche der erwähnten zweiten Lage (5), benachbart zu der erwähnten dritten Lage (7)

und

einer Oberfläche der erwähnten dritten Lage (7), benachbart zu der erwähnten zweiten Lage (5).

24. Mikroventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Hauptoberfläche der erwähnten ersten Scheibe (3) eine dotierte Lage (31) einschließt.

25. Mikroventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterseite der erwähnten zweiten Scheibe (5) eine dotierte Lage (45) einschließt.