DE69505986T2

DE69505986T2 - Vorrichtung zum chemischen mischen und reagieren

Info

Publication number: DE69505986T2
Application number: DE69505986T
Authority: DE
Inventors: Kevin Harbster; Joseph Perrotto
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2015-07-21
Also published as: RU2149054C1; ATE173181T1; KR970704510A; JP3862749B2; EP0772490B1; BR9508431A; WO1996003206A1; EP0772490A1; US5595712A; KR100361411B1; JPH10503708A; DE69505986D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine für chemische Hochgeschwindigkeitsreaktionen ausgelegte, integrierte Vorrichtung zur chemischen Verarbeitung, die in eine größere integrale Struktur aus mehreren Einheiten zur chemischen Verarbeitung oder ein integriertes System einbezogen werden kann. Insbesondere zielt die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur chemischen Verarbeitung ab, die durch verbessertes, rasches Mischen der hindurchgehenden chemischen Stoffe, eine erhöhte Betriebssicherheit, und eine geringere Kapitalinvestition gekennzeichnet ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Um eine wirksame chemische Verarbeitung zu erreichen, ist es erforderlich, eine Reihe von Verarbeitungsparametern, wie die Temperatur, den Druck, die Mischbedingungen, die Einwirkung von Katalysatormaterial auf die Reaktionspartner, die Einwirkung von Produkten und/oder Nebenprodukten auf die Reaktionspartner, und die Einwirkung von aktinischer Strahlung auf die Reaktionspartner zu steuern. Manche chemischen Reaktionen sind besonders schwierig auf optimale Weise auszuführen, weil sie sehr schnell ablaufen, manchmal bevor die Reaktionspartner vollständig gemischt sind. Manche nichtstöchiometrischen Bereiche der teilweise gemischten Reaktionspartner können die Erzeugung von anderen Reaktionsprodukten als den gewünschten verursachen.
Eine herkömmliche Ausrüstung zur chemischen Verarbeitung kann gewöhnlich ein relativ großes Materialvolumen aufnehmen, und hat folglich ein relativ großes Volumen/- Oberfläche-Verhältnis, und ist daher für chemische Hochgeschwindigkeitsreaktionen besonders schlecht geeignet. Es ist wahrscheinlicher, daß verschiedene Bereiche der in einer solchen Verarbeitungsausrüstung enthaltenen Reaktionsmaterialien verschiedenen Geschichten der Bedingungen ausgesetzt werden. Zum Beispiel werden in dem Fall eines herkömmlichen Tankreaktors die Reaktionspartner bei der Einführung in typischer Weise in getrennten Strömen, gewöhnlich mit gesteuerten Strömungsraten, zugeführt, und dann gemischt. Der sogenannte T-Mischer wird verwendet, um die ankommenden Ströme zu mischen, bevor sie in einen Reaktortank gelangen. Bei chemischen Reaktionen, die schnell, d.h., in typischer Weise in weniger als einer Sekunde ablaufen, kann selbst bei Verwendung des T- Mischers ungenügendes Mischen vorkommen, bevor die Reaktion abläuft. Bereiche des unvollständig gemischten Gemischs können zu wenig von dem einen oder anderen Reaktionspartner aufweisen, und es können unerwünschte sekundäre Reaktionen ablaufen, die unerwünschte Nebenprodukte erzeugen.
Rasches Rühren der Reaktionspartner kann diesen Mischgeschichteunterschied verringern, aber es wird ihn nicht beseitigen. Als Folge der nicht-homogenen Mischgeschichte kann es sein, daß verschiedene Bereiche der Reaktionspartner chemisch verschieden reagieren. In Bereichen der Reaktionspartner können unerwünschte Reaktionen ablaufen, die eine örtliche Erhitzung in diesen verschiedenen Bereichen verursachen. Diese örtliche Erhitzung kann unerwünschte Reaktionen beschleunigen. Dies kann die Erzeugung von unerwünschten Abfallprodukten zur Folge haben, die gefährlich sein können und/oder die in geeigneter Weise beseitigt werden müssen. In extremen Situationen können die Reaktionsgeschwindigkeiten bis zu unbeherrschbaren Niveaus ansteigen, die Sicherheitsgefahren, wie potentielle Explosionen, verursachen können.
Wenn jedoch das Volumen bei jedem zu mischenden Reaktionspartnerstrom wesentlich verringert wird, kann die Mischgeschwindigkeit der Reaktionspartner wesentlich erhöht werden, wodurch die Steuerung der Homogenität der Mischgeschichte der Reaktionspartner wesentlich verbessert wird.
Es ist erkannt worden, daß ein hoher Grad der Strömungsturbulenz die Möglichkeit, zwei oder mehr Reaktionspartnern schnell zu mischen, verbessert. Es ist bekannt, daß eine schnelle Mischung für schnelle chemische Reaktionen wichtig ist. Es ist auch bekannt, daß ein hoher Grad der Turbulenz die Wärmeübertragung, sowie die Mischraten verbessert. Folglich ist eine Struktur, die sowohl ein kleines eingeschlossenes Volumen, als auch einen hohen Grad der Strömungsturbulenz hat, besonders vorteilhaft für eine genaue Steuerung von chemischen Hochgeschwindigkeitsreaktionen.
Mischereinheiten, die eine sehr turbulente Strömung haben, wurden gebaut, indem die gewünschten Durchgänge und Kammern mittels herkömmlicher Metallbearbeitungstechniken in Metallplatten verwirklicht wurden, und danach die Platten zu einem Stapel zusammengefügt wurden, und entweder zusammengeklammert wurden, oder dauerhaft verbunden wurden, wie beispielsweise durch Schweißen oder Löten. Ein Beispiel ist US-A-3701619. Bei mit herkömmlichen Werkzeugmaschinentechniken gebildeten Strukturen können Volumen/Oberfläche- Verhältnisse, die sehr klein sind, nicht auf wirtschaftliche Weise erreicht werden. Die Baumaterialien für eine herkömmliche Vorrichtung zur chemischen Verarbeitung, wie Stahl und spezielle Eisenlegierungen, können außerdem für Korrosion und Abnutzung anfällig sein, unerwünschte Wirkungen auf die katalytische Wirksamkeit haben, oder einen Katalysator "vergiften".
In dem auf den Namen der Anmelder der vorliegenden Erfindung eingereichten Dokument WO-A-94/21372, das nach dem für die vorliegende Anmeldung beanspruchten Prioritätsdatum veröffentlicht wurde, wird eine integrale Struktur für die chemische Verarbeitung und Herstellung beschrieben, aufweisend eine Vielzahl von miteinander verbundenen Plättchen bzw. Scheiben mit mindestens einer darin gebildeten Einlaßöffnung und mindestens einer darin gebildeten Auslaßöffnung für die Zuführung und die Abführung von chemischen Stoffen, wobei die Plättchen ein aufgrund der Kompatibilität mit dem chemischen Prozeß ausgewähltes Material aufweisen, und mindestens einem hindurchgehenden, dreidimensional gewundenen Kanal, der zwischen benachbarten Plättchen genau orientiert ist, um die zu verarbeitenden chemischen Stoffe aufzunehmen, wobei der Kanal mit den Einlaß- und Auslaßöffnungen verbunden ist und längs einem oder mehr Plättchen kontinuierlich ist, und längs einem oder mehr anderen Plättchen diskontinuierlich ist, und der diskontinuierliche Kanal zwischen benachbarten Plättchen kontinuierlich ausgerichtet ist, um einen kontinuierlichen, hindurchgehenden Pfad zu bilden, und konfiguriert ist, um mit Mitteln zusammenzuwirken, die mindestens eine Grundoperation ausführen, und die positioniert sind, um eine gewünschte Steuerung zu bewirken, so daß die chemischen Stoffe verarbeitet werden.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine chemische Verarbeitungseinheit zu verwirklichen, bei der die Reaktionspartner auf rasche und wirksame Weise gemischt werden, so daß die chemischen Reaktionen nicht infolge des Massentransfers begrenzt werden. Die vorliegende Erfindung bietet die Möglichkeit, eine oder mehr Misch/Reaktions- Einheiten mit Steuerelementen zu einem größeren, integrierten System zur chemischen Verarbeitung zu integrieren, um die Erfordernisse einer spezifischen chemischen Hochgeschwindigkeitsreaktion zu erfüllen. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß sie im Labor wirtschaftlich verwendet werden kann, um eine Reihe von präzisen Größen von Misch/Reaktions-Einheiten zu machen, mit dem Ziel, die grundlegenden chemischen Reaktionen zum Bestimmen der optimalen Betriebsparameter auszuführen. Kommerzielle Produktionsvolumen können dann durch Vervielfachung der Misch/Reaktions-Einheiten und parallelen Betrieb der Misch/Reaktions-Einheiten in einem größeren, integrierten System zur chemischen Verarbeitung leicht erreicht werden.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen, wenn sie bei einer größeren, integrierten Vorrichtung zur chemischen Verarbeitung angewandt wird, die Beseitigung vieler Verbindungen und Verbindungsstellen, wodurch das Potential für Lecks verringert wird. Diese und weitere Ziele. Merkmale und Vorteile werden aufgrund der folgenden Beschreibung der Erfindung besser verständlich werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist nachstehend in dem Patentanspruch 1 dargelegt. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 dargelegt.
Die Vorrichtung der Erfindung kann gemäß einem Prozeß hergestellt werden, bei dem zunächst eine Vielzahl von Plättchen verarbeitet wird, von denen jedes einen oberen Bereich und einen unteren Bereich hat, und eine gewünschte Dicke hat, die ausreicht, um gewünschte Pfade auf dem Plättchen oder durch das Plättchen hindurch zu bilden. Die Plättchen werden dann bei genauer Ausrichtung so gestapelt und miteinander verbunden, daß sich Kanäle ergeben, die sich unter einem gewünschten Anstellwinkel überschneiden.
Bei dem Prozeß zum Herstellen der integralen Struktur bilden die Pfade auf einander gegenüberliegenden Oberflächen von benachbarten Plättchen in der Ebene der Plättchen Durchgänge durch die Struktur, die die gewünschten Querschnittsflächen haben. Diese ebenen Durchgänge sind miteinander verbunden, und außerdem mit zu der Ebene der Plättchen orthogonalen Durchgängen verbunden, die durch ein oder mehr Plättchen hindurchgehen, um Durchgänge zu bilden, die die gewünschten insgesamt dreidimensionalen Formen haben.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann bei einer Methode verwendet werden, gemäß der chemische Stoffe gemischt und zur Reaktion gebracht werden. Die Methode weist die folgenden Schritte auf: (a) Einleiten von einem oder mehr zu verarbeitenden chemischen Stoffen in Kanäle der oben beschriebenen Struktur; (b) Weiterleiten der chemischen Stoffe, damit sie durch die Kanäle hindurchgehen; (c) Koordinieren des Durchgangs bei einer solchen Durchgangsrate, daß die Anstellwinkel und Scherraten ausreichen, um sicherzustellen, daß die chemischen Reaktionen nicht infolge des Massentransfers begrenzt werden; und (d) Abführen des Reaktionsproduktes aus den Kanälen der Struktur.
Die Erfindung wird aufgrund der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 2 ist eine explodierte perspektivische Ansicht der von oben gesehenen Vorrichtung, die die oberen Oberflächen der drei Plättchen, die zur Bildung der Struktur verwendet werden, wiedergibt.
Die Fig. 3 ist eine explodierte perspektivische Ansicht der von unten gesehenen Vorrichtung, die die unteren Oberflächen der drei Plättchen, die zur Bildung der Struktur verwendet werden, wiedergibt.
Die Fig. 4 ist eine vergrößerte erste Schnittansicht gemäß den Schnittlinien 4-4 der Fig. 1.
Die Fig. 5 ist eine vergrößerte zweite Schnittansicht gemäß den Schnittlinien 5-5 der Fig. 1.
Die Fig. 6 ist eine explodierte perspektivische Ansicht eines Bereichs der Vorrichtung der Fig. 1, die die untere Oberfläche eines ersten Plättchens 100 und die obere Oberfläche des zweiten Plättchens 200 wiedergibt. Die Fig. 6. 8, 9 geben gemäß einer ersten Ausführungsform eine Anordnung von Kanälen wieder, die eine Anordnung von Mischelementen und einen Verteileranschluß bilden.
Die Fig. 7 ist eine explodierte perspektivische Ansicht der Unterseite eines zweiten Plättchens 200 und der Oberseite eines dritten Plättchens 300, die Kanäle wiedergibt, die einen Verteileranschluß bilden.
Die Fig. 8 ist eine vergrößerte Ansicht des mit 8-8 bezeichneten Bereichs der Fig. 6, die das Mischelement 64A2 wiedergibt.
Die Fig. 9 ist eine vergrößerte Ansicht eines mit 9-9 bezeichneten Bereichs der Fig. 8.
Die Fig. 10, die im Maßstab der Fig. 9 entspricht, gibt gemäß einer zweiten Ausführungsform eine Anordnung von Kanälen wieder, die eine Anordnung aus Mischelementen und einen Verteileranschluß bilden.
Die Fig. 11 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht, die die Kanäle der Fig. 8 und die Überschneidungen dieser Kanäle veranschaulicht.
Die Fig. 12 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht, die die Kanäle der Fig. 10 und die Überschneidungen dieser Kanäle veranschaulicht.
Die Fig. 13a-c ist ein Grundriß der Kanäle der Fig. 9, der die Kanäle getrennt und übereinander angeordnet wiedergibt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist durch kleine Kanäle mit komplexen, dreidimensionalen Formen gekennzeichnet, die: (1) einen hohen Grad von Strömungsturbulenz erzeugen können, der das rasche Mischen und die Wärmeübertragung verbessert; (2) sich mit anderen Kanälen unter einem vorgegebenen Anstellwinkel auf scherende Weise überschneiden; (3) ein sehr kleines Volumen/Oberfläche-Verhältnis haben, das Temperaturgradienten minimiert und die Wärmeübertragung weiter verbessert; und (4) die Verweilzeit der Materialien darin steuern, um eine genauere Temperatursteuerung, und eine gleichmäßigere Temperaturgeschichte für jeden Bereich des gesamten Volumens der gemischten und zur Reaktion gebrachten Reaktionspartner zu erreichen. Kanäle, die klein genug sind, um die Ausbreitung einer Flamme nicht zuzulassen, können leicht gebildet werden, und so verwendet werden, um potentiell explosive chemische Reaktionspartner sicher zur Reaktion zu bringen. Die Kanäle können einen Querschnitt von nur ungefähr 10 Mikrometer haben.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung beziehen sich die Kennziffern von 1 bis 99 auf kombinierte Merkmale der Erfindung. Das heißt, diese Merkmale können nur bei der Verbindung von benachbarten Plättchen sichtbar werden. Zum Beispiel besteht in der Fig. 7 die Kammer 50M aus der Kammer 250M auf dem Plättchen 200 und der Kammer 350M auf dem Plättchen 300. Die Plättchen sind mit 100, 200. 300 bezeichnet, und spezifische Merkmale bei den einzelnen Plättchen sind mit 101 bis 199, 201 bis 299, usw. bezeichnet, wobei die letzten zwei Ziffern dem allgemeinen Merkmal der Erfindung entsprechen. Der angefügte Buchstabe "V" wird verwendet, um vertikale Pfade, auch als "Durchgänge" ("vias") bekannt, zwischen Plättchen durch die Struktur hindurch zu bezeichnen. In ähnlicher Weise gibt der angefügte Buchstabe "M" eine Anschlußkammer innerhalb eines Anschlusses an; die angefügten Buchstaben "S" und "T" geben gerade und gekrümmte Bereiche von Pfaden an. Nachsilben, die einen Bindestrich und eine Ziffer aufweisen (-1, -2, usw.) werden verwendet, um Teile von spezifischen Elementen, wie einzelne Zweige der verzweigten Anschlüsse, zu bezeichnen. Ein großer Buchstabe und eine Zahl werden an die Kennziffer angefügt, um Elemente einer Anordnung zu bezeichnen (z.B. Mischer 64A2 der Anordnung 64). Kennziffern, die in geschweifte Klammern { } eingeschlossen sind, bezeichnen Kristallebenen in einem kristallinen Material (z.B. {100}).
In der Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine für die vorliegende Erfindung typische Vorrichtung 10 wiedergegeben. Diese Vorrichtung 10 besteht aus einer Vielzahl von Plättchen 100, 200, 300, die miteinander verschmolzen sind, um eine integrale Struktur zu bilden. Eine oder mehr Einlaßöffnungen (hier sind die Einlaßöffnungen 20 und 24 wiedergegeben) ermöglichen das Strömen von Reaktionspartnern in die Vorrichtung hinein, und eine oder mehr Auslaßöffnungen (hier sind die Auslaßöffnungen 30 und 34 wiedergegeben) ermöglichen das Strömen der sich ergebenden Reaktionsprodukte aus der Vorrichtung heraus. Es ist ersichtlich, daß die Einlaßöffnungen 20 und 24 und die Auslaßöffnungen 30 und 34 nicht unbedingt nur durch das Plättchen 100 hindurchgehen müssen, wie gezeigt ist, sondern sich durch alle drei Plättchen erstrecken können (wie z.B. die Auslaßöffnung 34 in der Fig. 4). Diese Elemente können so angeordnet werden, daß sie zum Beispiel auf der Seite eines Plättchens mit der integralen Struktur verbunden sind (nicht wiedergegeben). Die Plättchen können aus dem gleichen Material oder aus verschiedenen Materialien bestehen. Die Plättchen (auch als Wafer bekannt) 100, 200, 300 bestehen vorzugsweise aus Materialien der Gruppen III, IV oder V des periodisehen Systems, wobei Silizium das am meisten bevorzugte Material ist. Wenn gewünscht, können ein oder mehr Plättchen aus einem alternativen Material, wie Keramik, einem Glasmaterial, wie Pyrex, oder anderen kompatiblen Materialien bestehen.
Die Fig. 2 gibt die oberen Oberflächen, und die Fig. 3 die unteren Oberflächen der drei Plättchen 100, 200, 300 wieder, die verwendet werden, um die Vorrichtung der Fig. 1 zu bilden. Die Funktionsmerkmale der in den Fig. 2 und 3 wiedergegebenen Vorrichtung sind: zwei Einlaßverteileranschlüsse 40, 44, die durch Pfade in der unteren Oberfläche des Plättchens 100 und der oberen Oberfläche des Plättchens 200 gebildet sind; eine Anordnung 60 von Mischer/Reaktions-Kammern, die durch eine serielle/parallele Anordnung von T-Mischern 62 und Überschneidungskanal-Mischelementen 64 repräsentiert ist, die durch entsprechende Pfade in der unteren Oberfläche des Plättchens 100 und der oberen Oberfläche des Plättchens 200 gebildet sind; und einen gabelförmigen Auslaßsammleranschluß 50, der durch entsprechende Pfade in der unteren Oberfläche des Plättchens 200 und der oberen Oberfläche des Plättchens 300 gebildet ist.
In den Schnittansichten der Fig. 4 und 5 ist die vertikale Skala zur klaren Darstellung in einem übertrieben großem Maßstab wiedergegeben. Obwohl die Plättchen der Vorrichtung zu einer integralen Struktur verschmolzen sind, wenn die Vorrichtung vollständig fertig ist, sind zur klaren Darstellung in den Fig. 4 und 5 die Grenzflächen zwischen den Plättchen wiedergegeben.
In den Fig. 4 und 5, die typische Strömungsdurchgänge in dem Inneren der Struktur veranschaulichen, sind die vertikalen Durchgänge 20V, 24V, 30V, 34V, die mit den Einlaßöffnungen 20, 24 bzw. der Auslaßöffnung 30 in dem Plättchen 100, und der Auslaßöffnung 34 in den äußeren Plättchen 100 und 300 verbunden sind, gewöhnlich durch Schleifen oder Bohren durch das Plättchen gebildet.
In der Fig. 4 sind drei Durchgänge 40-1, 40-2, 40-3, die Zweige des Verteileranschlusses 40 sind, und drei Durchgänge 44-1, 44-2, 44-3, die Zweige des Verteileranschlusses 44 sind, in der oberen Oberfläche des Plättchens 200 gebildet. Fünf Durchgänge 50-1, 50-2, 50-3, 50-4, 50-5, die Zweige des Sammleranschlusses 50 sind, sind durch entsprechende spiegelbildliche Pfade 250-1, 250-2, 250-3, 250-4, 250-5 (siehe auch die Fig. 7) in der unteren Oberfläche des Plättchens 200 bzw. 350-1, 350-2, 350-3, 350-4, 350-5 (Fig. 7) in der oberen Oberfläche des Plättchens 300 gebildet.
In der Fig. 5 liegt die zentrale Achse eines dritten horizontalen Durchgangs 50-3 (siehe auch die Fig. 8), der den mittleren Zweig eines 5-zweigigen Sammleranschlusses 50 aufweist, in der Ebene der Schnittansicht. Der horizontale Durchgang 50-3 ist durch entsprechende spiegelbildliche Pfade gebildet, und zwar den Pfad 250-3 (Fig. 7) in der unteren Oberfläche des Plättchens 200 bzw. den Pfad 350-3 (Fig. 7) in der oberen Oberfläche des Plättchens 300. Bei der typischen Vorrichtung sind die Durchgänge, die den 5-zweigigen Sammleranschluß 50 aufweisen, mittels einer Ätztechnik gebildet.
In der Fig. 5 bilden die Durchgänge 160A, 160B, 160C, 160D, in Kombination mit den Zweigen 40-1, 44-1; 44-1, 40-2; 40-2, 44-2; und 40-3, 44-3 der Verteileranschlüsse 40, 44 (Fig. 4 und 7) eine Anordnung von T-Mischer-Strukturen 62, deren Funktionsweise in Verbindung mit den Fig. 6, 7 später beschrieben wird. Die Durchgänge 164 in der unteren Oberfläche des Plättchens 100 und die Durchgänge 264 in der oberen Oberfläche des Plättchens 200 wirken zusammen, um eine Anordnung von Mischkammern 64 zu bilden, von denen jede eine Vielzahl von sich überschneidenden Kanälen aufweist (Fig. 6).
Die linke Seite der Fig. 5 gibt den vertikalen Durchgang 20V wieder, der sich durch das Plättchen 100 erstreckt, um die Einlaßöffnung 20 mit der gemeinsamen Kammer 40M des Anschlusses 40 zu verbinden. Die rechte Seite der Fig. 5 gibt den vertikalen Durchgang 24V wieder, der sich durch das Plättchen 100 erstreckt, um die Einlaßöffnung 24 mit der gemeinsamen Kammer 44M des Anschlusses 44 zu verbinden. Ein dritter Zweig 50-3 des 5-zweigigen Verteileranschlusses ist durch entsprechende spiegelbildliche Pfade 250-3 und 350-3 (Fig. 7) in der unteren Oberfläche des Plättchens 200 bzw. der oberen Oberfläche des Plättchens 300 gebildet. Die Mischkammern 64A3, 64B3, 64C3, 64D3 sind in der Fig. 5 sichtbar.
Die Fig. 6 gibt eine Anordnung von Pfaden wieder, die zusammenwirken, um eine Anordnung von Mischer/Reaktions-Kammern 60 und zwei Verteileranschlüsse 40, 44 zu bilden. Der erste Verteileranschluß 40 besteht aus der gemeinsamen Kammer 40M und den Zweigdurchgängen 40-1, 40-2, 40-3. Die Kammer 40M wird durch Kombination der Kammer 140M in der unteren Oberfläche des ersten Plättchens 100 und der Kammer 240M in der oberen Oberfläche des Plättchens 200 gebildet. Ebenfalls wiedergegeben ist die Öffnung des vertikalen Pfades 20 V, der die Einlaßöffnung 20 mit der gemeinsamen Kammer 40M verbindet.
Der zweite Verteileranschluß 44 besteht aus der gemeinsamen Kammer 44M und den Zweigdurchgängen 44-1, 44-2, 44-3. Die Kammer 44M wird durch Kombination der Kammer 144M in der unteren Oberfläche des ersten Plättchens 100 und der Kammer 244M in der oberen Oberfläche des Plättchens 200 gebildet. Ebenfalls wiedergegeben ist die Öffnung des vertikalen Pfades 24V, der die Einlaßöffnung 24 mit der gemeinsamen Kammer 44M verbindet.
In der unteren Oberfläche des ersten Plättchens 100 ist eine Serie von schlangenförmigen (serpentineartigen) Pfaden 164 gebildet, die mit entsprechenden schlangenförmigen Pfaden 264 des Plättchens 200 zusammenwirken, um die Anordnung von Überschneidungskanal- Mischelementen 64 (hier 64A5, gebildet aus 164A5 und 264A5 in der Fig. 6) der Mischeranordnung 60 zu bilden. Die Mischeranordnung 60 weist mehrere Gruppen 60A (z.B. 64A1- 64A5), 60B, 60C, 60D von mehreren parallelen Mischern 64 auf. Bei dem wiedergegebenen spezifischen Beispiel gibt es fünf Mischer in jeder Gruppe, die mit 64A1, 64A2, 64A3, 64A4, 64A5 bis 64D1, 64D2, 64D3, 64D4, 64D5 bezeichnet sind. Die Fig. 6 gibt auch die obenerwähnten Kammern 40M und 44M wieder.
Jeder Mischer 64 besteht aus zwei schlangenförmigen Pfaden, einem ersten Pfad 164, der in der Unterseite des ersten Plättchens 100 gebildet ist, und einem zweiten Pfad 264, der in der Oberseite des zweiten Plättchens 200 gebildet ist. Der erste und zweite Pfad bestehen jeweils aus einer Serie von geraden und gekrümmten Segmenten, die miteinander verbunden sind, um einen kontinuierlichen Pfad zu bilden. Der erste und zweite Pfad sind auf angrenzenden Oberflächen angeordnet, wobei die Segmente in der Längsrichtung so versetzt sind, daß sich die entsprechenden gekrümmten Segmente wiederholt überschneiden. Das Mischerelement 64 (wie durch das Mischerelement 64A2 veranschaulicht) kann als ein doppelter schlangenförmiger Pfad beschrieben werden (am besten in der Fig. 11 zu sehen).
Vier Pfade 160A, 160B, 160C und 160D wirken mit den Zweigen 40-1, 40-2, 40-3 des Anschlusses 40, den Zweigen 44-1, 44-2, 44-3 des Anschlusses 44 und einem ersten, geraden Segment 264S von jedem schlangenförmigen Pfad 264 zusammen, um eine Serie von T-Mischern 62 zu bilden (am besten in der Fig. 7 zu sehen). Jedes erste gerade Segment 264S verbindet so jeden T-Mischer 62 mit jedem schlangenförmigen Mischer 64 der Mischeranordnung 60.
Die Fig. 7 gibt die Anordnung der Pfade wieder, die zusammenwirken, um einen Sammleranschluß 50 zu bilden. Wie in den Fig. 6 und 7 zu sehen ist, besteht der Sammleranschluß 50 aus der gemeinsamen Kammer 50M und den Zweigdurchgängen 50-1, 50-2, 50- 3, 50-4 und 50-5. Die vertikalen Pfade 64A1V, 64A2V, 64A3V, 64A4V und 64A5V verbinden das letzte Segment des Mischers 64A1, 64A2, 64A3, 64A4, 64A5 mit den Sammleranschlußzweigen 50-1, 50-2, 50-3, 50-4 bzw. 50-5; die vertikalen Pfade 64B1V, 64B2V, 64B3V, 64B4V und 64B5V verbinden das letzte Segment des Mischers 64B1, 64B2, 64B3, 64B4, 64B5 mit den Sammleranschlußzweigen 50-1, 50-2, 50-3, 50-4 bzw. 50-5; die vertikalen Pfade 64C1V, 64C2V, 64C3V, 64C4V und 64C5V verbinden das letzte Segment des Mischers 64C1, 64C2, 64C3, 64C4, 64C5 mit den Sammleranschlußzweigen 50-1, 50-2, 50-3, 50-4 bzw. 50-5; und die vertikalen Pfade 64D1V, 64D2V, 64D3V, 64D4V und 64D5V verbinden das letzte Segment des Mischers 64D1, 64D2, 64D3, 64D4, 64D5 mit den Sammleranschlußzweigen 50-1, 50-2, 50-3, 50- 4 bzw. 50-5. Der vertikale Durchgang 30V verbindet den Sammleranschluß 50 mit der Auslaßöffnung 30 auf der ersten Seite des Plättchens 100. Der vertikale Durchgang 34V verbindet den Anschluß 50 mit den beiden Auslaßöffnungen 34 auf der ersten Seite des Plättchens 100 und der zweiten Seite des Plättchens 300, wie in der Fig. 4 am besten zu sehen ist.
Wie in der Fig. 8 am besten zu sehen ist, wirkt jeder Pfad 160 mit den Anschlüssen 40 und 44 und einem ersten, geraden Segment des schlangenförmigen Pfades 264 zusammen, um einen T-Mischer 62 zu bilden. Dies ergibt eine Verbindung mit einem schlangenförmigen Mischer 64, der aus den geraden Segmenten 264S und den gekrümmten Segmenten 264T besteht. Wie auch in der Fig. 8 zu sehen ist, kann jeder Bereich des Pfades 160, z.B. der Bereich 160A-1 zwischen dem Anschluß 40-1 und dem Segment 264S1, und der Bereich 160A-2 zwischen dem Anschluß 44-2 und dem Segment 264S1 eine verschiedene Querschnittsgröße haben, um die gewünschte Strömungsrate jedes zu mischenden chemischen Stoffes zu erhalten. Die Anzahl der geraden und gekrümmten Segmente 164S, 164T und 264S, 264T, und die Querschnittsgröße jedes Segments von 164 und 264 können entsprechend den Mischanforderungen und den Strömungseigenschaften der zu verarbeitenden chemischen Stoffe ausgewählt werden.
Wie in der Fig. 9 zu sehen ist, bestehen die schlangenförmigen Pfade 164, 264 aus geraden Segmenten, die durch den angefügten Buchstaben "S" gekennzeichnet sind (171S, 172S, 173S, 174S, 175S, und 271S, 272S, 273S, 274S, 275S), und gekrümmten Segmenten, die durch den angefügten Buchstaben "T" gekennzeichnet sind (171T, 172T, 173T, 174T, 175T, und 271T, 272T, 273T, 274T, 275T). Einander entsprechende gekrümmte Segmente (z.B. 171T, 271T) der Pfade 164 und 264 überschneiden sich auf scherende Weise unter einem Anstellwinkel von neunzig (90) Grad. Durch leichtes Versetzen der Position des Pfades 164 relativ zu dem Pfad 264 kann dieser Anstellwinkel, wenn gewünscht, geändert werden. Durch Drehen des Plättchens 100 relativ zu dem Plättchen 200 und geeignete Änderung des Abstandes der geraden Segmente (angefügtes S) und der gekrümmten Segmente (angefügtes T) kann beinahe jeder gewünschte Anstellwinkel erreicht werden. Anstellwinkel innerhalb des Bereichs von 20 Grad bis 160 Grad können leicht verwirklicht werden und liegen innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 10 gibt eine alternative Anordnung der Kanäle wieder, die anstelle der in den Fig. 6, 8 und 9 wiedergegebenen Anordnung verwendet werden kann. Die Fig. 10 gibt zwei Kanäle 181, 182 in der unteren Oberfläche Plättchens 100 wieder, die sich bei einem Überschneidungspunkt vereinigen, in einer kombinierten Konfiguration als Kanal 183 weitergehen, danach in zwei Kanäle 184, 185 getrennt werden, und dann als Kanal 186 wiedervereinigt werden, und danach in die Kanäle 187, 188 getrennt werden. Der Kanal 281 in der oberen Oberfläche des Plättchens 200 wird bei einem Überschneidungspunkt in zwei Kanäle 282, 283 getrennt, die dann als Kanal 284 wiedervereinigt werden, danach in die zwei Kanäle 285. 286 getrennt werden, und dann als Kanal 287 wiedervereinigt werden. Der Kanal 181 überschneidet sich mit dem Kanal 282, und der Kanal 182 überschneidet sich mit dem Kanal 283 unter vorgegebenen Anstellwinkeln und Scherraten. In ähnlicher Weise überschneidet sich der Kanal 184 mit dem Kanal 282, der Kanal 185 mit dem Kanal 283, der Kanal 184 mit dem Kanal 286, der Kanal 185 mit dem Kanal 287, der Kanal 187 mit dem Kanal 286, und der Kanal 188 mit dem Kanal 287.
In der Fig. 11 sind die Kanäle der Fig. 9 auf eine ein wenig vereinfachte Weise dargestellt, um die Form, die relative Position und die Überschneidungen der Kanäle besser sichtbar zu machen. Wie aus den Fig. 9 und 11 ersichtlich ist, überschneiden sich die zwei Kanäle wiederholt, um eine Doppelhelixkonfiguration zu bilden, wobei ein erster Kanal 164 aus geraden Segmenten und gekrümmten Segmenten in einer ersten Ebene besteht, und ein zweiter Kanal 264 aus geraden Segmenten und gekrümmten Segmenten in einer zweiten Ebene besteht.
Die chemischen Stoffe innerhalb eines ersten Kanals werden der folgenden Sequenz wiederholt unterworfen: (a) eine turbulente linksgerichtete Drehung (Linkskurve), (b) eine turbulente linksgerichtete Scherüberschneidung mit den chemischen Stoffen in einem zweiten Kanal, (c) eine turbulente, rechtsgerichtete Drehung (Rechtskurve), (d) eine turbulente, rechtsgerichtete Drehung, (e) eine turbulente, rechtsgerichtete Scherüberschneidung mit den chemischen Stoffen in dem zweiten Kanal, (f) eine turbulente, linksgerichtete Drehung.
In der Fig. 12 sind die Kanäle der Fig. 10 auf eine ein wenig vereinfachte Weise dargestellt, um die Form, die relative Position und die Überschneidungen der Kanäle besser sichtbar zu machen. In dieser Figur ist zu sehen, daß sich die Kanäle unter Anstellwinkeln und Scherraten überschneiden. Jeder Kanal weist zwei oder mehr Kanäle auf, die sich bei einem Überschneidungspunkt vereinigen, in einer kombinierten Konfiguration weitergehen, danach in zwei oder mehr Kanäle getrennt werden, und sich dann wiedervereinigen.
Die Fig. 13(a)-(c) ist ein Grundriß der Kanäle der Fig. 9. Sie gibt den Kanal 164 allein (Fig. 13(c)), den Kanal 264 allein (Fig. 13(a)), und die übereinander angeordneten Kanäle 164 und 264 (Fig. 13(b)) wieder. Bei dem Überschneidungspunkt der Kanäle sind eine Mittellinie 164C des Kanals 164 und eine Mittellinie 264C des Kanals 264 wiedergegeben. Der zwischen diesen Mittellinien eingeschlossene Winkel α ist als der "Anstellwinkel" der zwei Kanäle definiert.
Mehrere Einheiten der chemischen Misch- und Reaktionsvorrichtung können bei sequentiellem Betrieb oder bei Tandembetrieb verwendet werden. Die Einbeziehung von Einheiten mit sequentiellem Muster oder Tandemmuster in beliebiger Anzahl ist eine Entwurfswahl, die von den Fachleuten auf diesem Gebiet entsprechend dem gewünschten Ergebnis der chemischen Verarbeitung zu treffen ist.
Wie in den Fig. 9 und 10 zu sehen ist, sind die bei den gekrümmten Abschnitten (z.B. 171T) erzeugten, speziellen Winkel der Kanalwände auf die Orientierung der Kristallebenen des Siliziums zurückzuführen. Bei dem veranschaulichten Beispiel weist jedes Plättchen eine Siliziumwafer auf, deren ebene Hauptoberfläche eine {100}- Kristallebene ist. Die Seiten der geraden Segmente (z.B. 171S, 271S) sind entsprechend den {110}-Kristallebenen ausgerichtet. Bei Ätzung mit einem anisotropen Ätzmittel bilden die Hauptseiten der Segmente einen Winkel von 57º mit der Vertikalen, wobei sie in den {111}- Kristallebenen liegen. Die äußeren Ecken zwischen dem geraden Segment 171S und dem gekrümmten Segment 171T sind keine scharfen rechten Winkel, sondern durch zwei sogenannte schräge Kristallebenen, die die {210}-Kristallebenen sind, abgeschrägt, wodurch die abgeschrägten Ecken erzeugt werden, die in den Fig. 9 und 10 am besten zu sehen sind.

HERSTELLUNG DER VORRICHTUNG

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird mittels eines mehrstufigen Herstellungsprozesses verwirklicht. Zunächst wird eine Reihe von ebenen Plättchen oder Wafern verarbeitet, um die gewünschten Muster der Pfade auf einer oder beiden Hauptoberflächen jedes Plättchens oder durch das Plättchen hindurch zu erzeugen. Die Plättchen werden dann zusammengefügt, um eine Vielzahl von sich überschneidenden Kanälen für den Durchgang von chemischen Stoffen zu bilden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Figuren sind die Plättchen so angeordnet und orientiert, daß die Kanäle in den benachbarten Plättchen genau positioniert sind. Diese Kanäle können längs jedem der Plättchen kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Die diskontinuierlichen Kanäle sind zwischen benachbarten Plättchen so ausgerichtet, daß ein kontinuierlicher, durchgehender Pfad gebildet wird. Ein typischer Kanal besteht aus geraden Segmenten und gekrümmten Segmenten in einer ersten Ebene, geraden Segmenten und gekrümmten Segmenten in einer zweiten Ebene, und Übergangssegmenten zwischen den zwei Ebenen. Die geraden oder gekrümmten Segmente eines Kanals können als eine Rille oder eine Rinne ganz innerhalb eines Plättchens gebildet sein. Im zusammengebauten Zustand wirkt diese Rille mit der gegenüberliegenden, ebenen Oberfläche des benachbarten Plättchens zusammen, um den Querschnitt des Kanals zu verschließen. Dies wird am besten durch die Querschnittansicht des Verteileranschlusses 40 (zu sehen als 40-1, 40-2 und 40-3) in der Fig. 4 veranschaulicht. Die spiegelbildlichen Rillen oder Rinnen in den gegenüberliegenden Oberflächen von benachbarten Plättchen können zusammenwirken, um einen Kanal mit einem symmetrischen Querschnitt zu bilden. Dies wird durch die Querschnittansicht des Sammleranschlusses 50 (zu sehen als 50-1, 50-2, 50-3, 50-4 und 50-5) in der Fig. 4 am besten veranschaulicht. Die Übergangssegmente der Kanäle können Durchgänge sein, die durch ein Plättchen hindurchgehen, um ein Kanalsegment auf einem ersten Plättchen mit einem anderen Segment auf einem zweiten Plättchen, oder mit einem Verteiler- oder Sammleranschluß zu verbinden. Dies wird durch die Querschnittansicht der vertikalen Pfade 64A3V bis 64D3V in der Fig. 5 am besten veranschaulicht.

VERARBEITEN DER PLÄTTCHEN

Das Verarbeiten der Plättchen zur Bildung von Pfaden kann nach einem Verfahren ausgeführt werden, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: subtraktive Prozesse, additive Prozesse, und Bildungsprozesse. Die subtraktiven Prozesse weisen auf: chemisches Ätzen, elektrochemische Bearbeitung, Bearbeitung durch elektrische Entladung. Laserablation. Bohren und Schneiden, abrasives Schleifen, und Schneiden mit einer einzelnen Diamantspitze (wie verwendet wird, um keramische Teile herzustellen). Die additiven Prozesse weisen auf: Ablagerungsprozesse, wie Elektroformen, selektives Plattieren, chemische Gasphasenabscheidung, lithographisches Stereo-Photoformen, und Schweißen. Die Formprozesse weisen auf: Preßformen, Gießen und Stanzen. Abnutzungsfeste Beschichtungen, zum Beispiel aus Metalloidkarbiden, in Form von dünnen Filmen können wahlweise vor dem Verbinden auf die verarbeiteten Plättchen aufgebracht werden.

BAUMATERIALIEN

Die Auswahl der Plättchenmaterialien basiert auf der Kompatibilität der Materialien mit den zu mischenden und zur Reaktion zu bringenden chemischen Stoffen. Der Ausdruck "Kompatibilität mit den zu mischenden oder zur Reaktion zu bringenden chemischen Stoffen", wie er hier verwendet wird, umfaßt ohne Begrenzung: Widerstandsfähigkeit gegen chemische Degradation; Betriebsbedingungen, wie Temperatur und Druck; Wärmeleitfähigkeitserfordernisse; erforderliche, bei dem Plättchen zu erzeugende Merkmale, einschließlich Größe, geometrische Form und Genauigkeit: die Abdichtbarkeit des Plättchenmaterials: und wirtschaftliche Überlegungen.
Eine Vielfalt von Materialien kann verwendet werden, um die Misch/Reaktions- Einheiten der vorliegenden Erfindung zu bauen. Kristalline Materialien, die mittels photolithographischer Techniken verarbeitet werden können, können verwendet werden, besonders wenn eine Misch/Reaktions-Einheit mit extrem kleinen Querschnittsdurchgängen gewünscht wird, zum Beispiel, wenn schnell reagierende Gase verarbeitet werden sollen. Solche kristallinen Materialien umfassen gewöhnlich Elemente aus den Gruppen III bis V des periodischen Systems, zum Beispiel Silizium und Germanium. Weitere Verbindungsmaterialien, die wegen ihrer Widerstandsfähigkeit gegen chemischen Angriff ausgewählt werden, können verwendet werden, um die Plättchen herzustellen, oder können als Beschichtungen auf den Plättchen verwendet werden. Keramische Materialien, wie zum Beispiel Siliziumkarbid, Wolframkarbid. Aluminiumoxid und Saphir, können verwendet werden, wobei bekannte Preßform- , Preß- und Sintertechniken verwendet werden können, um die Plättchen zu bilden. Auf die Oberflächen der Plättchen können dünne Filme aufgebracht werden, zum Beispiel durch chemische Gasphasenabscheidung, um die Widerstandsfähigkeit der Durchgänge gegen chemischen Angriff zu verbessern, oder um das Verbinden der Plättchen zu erleichtern. Glasmaterialien, wie Quarzglas, reines Silikaglas und Borsilikatglas, sowie Verbundmaterialien, wie keramische Verbundmaterialien und polymere Verbundmaterialien, können verwendet werden.
Zum Beispiel können ähnliche Wafer wie zur Herstellung von elektronischen Halbleiterbauelementen, wie Einkristall-Siliziumwafer, verwendet werden. Bei solchen Siliziumwafern kann eine Kombination von subtraktiven Techniken verwendet werden, um die Durchgänge zu bilden. Die Plättchen werden danach bei genauer Ausrichtung gestapelt und (zum Beispiel durch Verbinden oder Zusammenklammern) zu einer integralen Struktur verbunden. Wie bei dem Beispiel der Fig. 1 veranschaulicht, werden drei Plättchen zu einer Vorrichtung verbunden. Die Plättchen können aus dem gleichen Material, oder aus verschiedenen Materialien sein. Die äußeren Plättchen können aus Silizium oder einem Schutzmaterial, wie Metall, Keramik, Verbundmaterial oder Glas sein, während die inneren Plättchen gewöhnlich aus Silizium sind. Wenn alle Plättchen aus Silizium sind, ist die thermische Schmelzverbindung eine bevorzugte Methode zum Verbinden der Plättchen, weil die Festigkeit der erhaltenen Verbindung nahe bei derjenigen der Plättchen selbst liegt.

FUNKTIONSWEISE DER VORRICHTUNG

In den Fig. 1-3, auf die nun Bezug genommen wird, strömen die zwei zur Reaktion zu bringenden Materialien durch die Eingangsöffnungen 20, 24 und die vertikalen Durchgänge 20V, 24V in die Verteileranschlüsse 40. 44 und die Mischeranordnung 60. Wahlfreie Temperatursteuermittel (nicht wiedergegeben) können verwendet werden, um die Mischeranordnung 60 auf der gewünschten Temperatur zu halten. Das gemischte Material wird in dem Sammleranschluß 50 gesammelt und durch den vertikalen Durchgang 30V nach der Auslaßöffnung 30, oder den vertikalen Durchgang 34V nach der Auslaßöffnung 34 geleitet.
Zusätzliche mikrogefertigte Prozeßsteuerelemente, wie Proportionalventile und Druck-, Temperatur- und Strömungsfühler, können in die Struktur der vorliegenden Erfindung eingebaut werden. Diese Elemente könnten, wenn sie mit externen Steuerungen verwendet werden, die Strömung der Reaktionspartner innerhalb der integrierten Einheit zur chemischen Verarbeitung regeln und so die Verweilzeit steuern. Jeder schnelle chemische Prozeß, wie Hydrolyse, Nitrierung. Polymerisation und Oxydation kann mittels der integrierten Struktur der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.

HERSTELLUNG DER PLÄTTCHEN

Bei der bevorzugten Ausführungsform entsprechen die meisten Schritte des Herstellungsprozesses im allgemeinen bekannten Halbleiterverarbeitungstechniken für Siliziumwafer. Die Photowerkzeuge für die Muster auf jeder Seite jeder Wafer werden mittels gut bekannter computerunterstützter Entwurfstechniken hergestellt. Bereits polierte Siliziumwafer, deren Hauptoberflächen der {100}-Kristallebene und anderen Orientierungen entsprechen, sind kommerziell erhältlich. Die polierten Wafer werden zuerst mittels einer gut bekannten, allgemeinen Reinigungstechnik, wie dem "RCA-Prozeß", gereinigt. Auf der Wafer wird mittels gut bekannter Standardtechniken ein Oxidfilm erzeugt. Auf die Oxidschicht wird mittels einer bekannten Methode zur chemischen Gasphasenabscheidung eine Nitridschicht aufgebracht. Die Nitridschicht schützt die Oxidschicht vor dem Angriff durch die Ätzlösung, die verwendet wird, um das Silizium zu ätzen. Mittels der gut bekannten Schleuderbeschichtungstechnik wird Photolack entsprechend den Anweisungen des Photolackherstellers aufgebracht.
Um das gewünschte Muster zu bilden, wird die Wafer zuerst mit einem Photowerkzeug maskiert, das ein Bild des gewünschten Musters hat, das entsprechend den Kristallebenen der Wafer genau ausgerichtet wird. Die geraden Bereiche des Musters werden gewöhnlich längs der {110}-Kristallebene ausgerichtet. Nach dem Belichten des Photolacks wird beim Entwickeln der unbelichtete Photolack abgelöst, um einen Teil der Nitrid/Oxid-Film-Schicht freizulegen. Der freigelegte Nitrid/Oxid-Film wird schließlich geätzt, um ein negatives Nitrid/Oxid-Film-Bild des gewünschten Musters zu bilden.
Die Pfade werden in den Oberflächen der Wafer durch Ätzen des Siliziums gebildet, wobei eine isotrope oder anisotrope Ätzlösung verwendet wird, deren Wahl von der gewünschten Form des Pfades abhängt. Gekrümmte Formen werden mittels einer isotropen Ätzlösung geätzt. Bei geraden Formen können beide Ätzlösungen verwendet werden, wobei die Wahl von der gewünschten Querschnittsform des Pfades abhängt. Wenn ein trapezförmiger Querschnitt gewünscht wird, wird eine anisotrope Ätzlösung verwendet.
Wenn eine bestimmte Wafer auf beiden Hauptoberflächen mittels der gleichen Ätzlösung geätzt werden soll, werden beide Seiten der Wafer mit Photolack maskiert, und dann wird der Photolack auf jeder Oberfläche mit dem gewünschten Muster belichtet, wonach entwickelt und gespült wird, und schließlich das Nitrid/Oxid auf beiden Oberflächen gleichzeitig geätzt wird. Dann kann das Silizium auf beiden Oberflächen gleichzeitig geätzt werden. Wenn auf den beiden Seiten der Wafer verschiedene Ätzlösungen verwendet werden sollen, werden alle Schritte für die erste Ätzlösung ausgeführt, und dann die Schritte für die zweite Ätzlösung wiederholt. Nachdem alle Ätzschritte ausgeführt wurden, werden die vertikalen Durchgänge oder Wege durch die Wafer mittels Laserschneiden durch die Wafer hindurch ausgeführt, wobei gewöhnlich ein Schneidesystem mit einem gepulsten Neodym-YAG-Laser verwendet wird. Nach dem Laserschneiden werden die Wafer wieder gereinigt, um die Schneidüberreste zu entfernen. Die restliche Nitridschicht des negativen Bildes wird mittels eines geeigneten Lösungsmittels, wie siedende Phosphorsäure, von der Wafer abgelöst, wobei die unbeschädigte Oxidschicht freigelegt wird. Das restliche negative Oxidschicht-Bild kann mittels eines geeigneten Lösungsmittels, wie gepuffertes Hydrogenfluorid, wahlweise von der Wafer abgelöst werden. Die. Wafer wird mittels der oben beschriebenen Technik wieder gereinigt.
Je nach dem Plättchenmaterial können auch andere Techniken verwendet werden. Plättchen, die aus Material der Gruppen III, IV oder V bestehen, werden mittels Ätz-, Schleif-, Bohr- und Poliertechniken verarbeitet. Plättchen, die aus Glas, Pyrex oder Quarzglas bestehen, werden mittels herkömmlicher Schneide-, Bohr-, Schleif- und Poliertechniken für Glas hergestellt. Plättchen, die aus keramischen Materialien bestehen, können durch Schlickergießen gebildet werden, durch Pressen verfestigt werden, und mittels gut bekannter Techniken gebrannt werden.
Nachdem alle Plättchen einzeln verarbeitet wurden, werden sie bei genauer Ausrichtung sorgfältig gestapelt, und durch eine Schmelzverbindung miteinander verbunden. Um eine gute Verbindung der Siliziumplättchen zu erhalten, sollten die Oberflächen völlig eben sein, und die Oxidschichten auf jeder Oberfläche sollen unbeschädigt sein. Da Silizium im Infraroten in einem gewissen Grade durchlässig ist, kann ein Mikroskop mit einer Infrarot-Videokamera verwendet werden, wobei wahlweise Ausrichtungsmarken auf jeder Wafer vorgesehen werden können, um eine genaue Ausrichtung der Wafer vor der Schmelzverbindung sicherzustellen. Wenn ein äußeres Plättchen aus Glas besteht, wird dieses Plättchen mit dem bereits verschmolzenen Stapel aus inneren Plättchen anodisch verbunden.
Fachleute auf diesem Gebiet, die die Informationen der vorliegenden Erfindung, wie sie oben wiedergegeben wurde, nutzen können, können zahlreiche Modifikationen bei der Erfindung vornehmen. Es ist leicht erkennbar, daß solche Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Demgemäß soll bei solchen Modifikationen angenommen werden, daß sie innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung liegen, wie dieser in den angefügten Patentansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Mischungsvorrichtung umfassend:

eine Viel zahl von Plättchen bzw. Scheiben mit zumindest einem Einlaß und zumindest einem Auslaß, wobei jede Scheibe zumindest eine erste planare Flache und eine zweite planare Fläche aufweist, die Scheiben so miteinander verbunden sind, daß jeweilige erste Flächen mit jeweiligen angrenzenden bzw. benachbarten zweiten Flächen verbunden sind und eine Vielzahl von darin gebildeten sich schneidenden Kanälen aufweisen, wobei die Kanäle mit dem zumindest einem Einlaß und dem zumindest einem Auslaß verbunden sind,

wobei die Kanäle im allgemeinen planar sind und einer oder mehrere Kanäle als Rillen in der ersten planaren Fläche von der zumindest einen Scheibe gebildet sind und einer oder mehrere Kanäle als Rillen in der angrenzenden bzw. benachbarten zweiten planaren Flache einer sich anschließenden bzw. angrenzenden Scheibe gebildet sind, und

die Kanäle im allgemeinen serpentinenartig und voneinander versetzt sind, so daß die Kanäle von der zumindest einen Scheibe und der sich angrenzenden Scheibe sich in einer aneinanderliegenden bzw. angrenzenden Weise wiederholt schneiden und an Schnittpunkten vorbestimmte Anstellwinkel bzw. Schnittwinkel bilden,

wobei die Scheiben ein Material umfassen, welches gemäß einer Verträglichkeit mit einer oder mehreren Chemikalien ausgewählt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Kanälen von der zumindest einen Scheibe und der sich anschließenden bzw. angrenzenden Scheibe an einem Schnittpunkt angeordnet sind, um einen Anstellwinkel von 20-160º zu bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Anstellwinkel 70-110º beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Anstell- bzw. Schnittwinkel 90º beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Kanälen von der zumindest einen Scheibe sich an einem Schnittpunkt verbinden, in einer kombinierten bzw. verbundenen Konfiguration verlaufen bzw. sich kreuzen, nachfolgend getrennt werden und anschließend sich in vorbestimmten Anstell- bzw. Schnittwinkeln wieder verbinden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Kanal der ersten planaren Fläche von zumindest einer Scheibe und ein Kanal der angrenzenden bzw. benachbarten zweiten planaren Flache der sich anschließenden bzw. angrenzenden Scheibe sich wiederholt schneiden, um eine Doppelhelixanordnung zu bilden, wobei der Kanal der ersten planaren Fläche gerade Segmente und Krümmungssegmente in einer ersten Ebene umfaßt, wobei jedes gerade Segment eine vorbestimmte Länge und einen vorbestimmten Querschnitt aufweist, der Kanal der angrenzenden zweiten planaren Fläche gerade Segmente und Krümmungssegmente in einer zweiten Ebene umfaßt, wobei jedes gerade Segment eine vorbestimmte Länge und einen vorbestimmten Querschnitt aufweist, wobei der Kanal der ersten planaren Oberfläche die folgende Abfolge bzw. Sequenz wiederholt:

(a) eine turbulente Linkskurve.

(b) ein turbulenter, linker angrenzender Schnitt bzw. Kreuzung mit dem Kanal der angrenzenden bzw. benachbarten zweiten planaren Fläche.

(c) eine turbulente Rechtskurve,

(d) eine turbulente Rechtskurve,

(e) ein turbulenter, rechter angrenzender Schnitt bzw. Kreuzung mit dem Kanal der angrenzenden bzw. benachbarten zweiten planaren Fläche, und

(f) eine turbulente Linkskurve.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Verhältnis der Länge von jedem geraden Kanalsegment zu dem hydraulischen Durchmesser weniger als acht ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Scheiben ein Material umfassen, welches aus Nicht-Metallelementen der Gruppen III, IV und V des Periodensystems, Keramiken, Gläser.

Polymere. Verbundstoffe und Metalle ausgewählt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Scheiben ein Material umfassen, welches aus Elementen der Gruppen III, IV und V des Periodensystems ausgewählt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Scheiben ein Material umfassen, welches aus Gruppe IVA des Periodensystems ausgewählt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Scheiben ein Material umfassen, welches aus Silizium und Germanium ausgewählt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Scheiben eine Keramik umfassen, welche aus Siliziumkarbid, Saphir und Aluminiumoxid ausgewählt ist.