DE69520481T2

DE69520481T2 - Mikro-Elektromagnet mit integrierten Magnetkreis und Spule

Info

Publication number: DE69520481T2
Application number: DE69520481T
Authority: DE
Inventors: Pascal Blind; Abdelkrim Choujaa; Olivier Ngoagouni
Original assignee: Crouzet Automatismes SAS
Current assignee: Crouzet Automatismes SAS
Priority date: 1994-12-30
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: EP0719951A1; EP0719951B1; DE69520481D1; US5863024A; FR2729003A1; FR2729003B1; JPH097826A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikro-Elektromagneten oder elektromagnetischen Mikrosteller. Sie betrifft insbesondere die Herstellung eines derartigen Stellers, bei der Technologien verwendet werden, die von denjenigen abgeleitet sind, die im Rahmen der Herstellung von integrierten Schaltkreisen entwickelt wurden.
In einem elektromagnetischen Steller ruft die Erzeugung eines Magnetfeldes mittels einer Spule die Bewegung eines Elements hervor, das gegenüber diesem Feld empfindlich ist. Die elektromagnetischen Steller werden insbesondere für elektrische Relais, Bewegungssensoren, Elektroventile usw. angewendet.
Im Fall eines Elektroventils wird der Steller verwendet, um eine Passage für eine Flüssigkeit in einem Ventilgehäuse zu öffnen oder zu schließen. Bei den miniaturisierten Anwendungen, auf die sich die Erfindung bezieht, wirkt der Steller im allgemeinen auf eine verformbare, einen Ventilkörper bildende Membran ein, die er bewegt, um einen Sitz zu verschließen oder freizugeben, der eine Flüssigkeitspassage begrenzt und zum Beispiel in einer Siliziumscheibe gebildet ist.
Elektromagnetische Mikroventile sind im Vergleich zu anderen Arten von Mikroventilen (elektrostatische oder piezoelektrische Ventile, Ventile vom Thermofluid- oder Optofluid-Typ, thermomechanische Ventile) besonders interessant, denn sie bieten eine Verbindung eines Maximums an Leistungen, die für ein Mikroventil entscheidend sind, nämlich die Verformbarkeit seiner Membran, die Stärke seines Stellers, sein Stromverbrauch, die von ihm benötigte Speisespannung, seine Reaktionszeit.
Ein elektromagnetisches Mikroventil ist jedoch aufgrund der Gegenwart eines Elektromagneten besonders komplex in der Herstellung und wurde im Stand der Technik nie vollständig integriert hergestellt.
Fig. 1A und 1B stellen ein herkömmliches Beispiel eines elektromagnetischen Mikroventils dar, dessen Ventikörper unter Verwendung der Technologie der integrierten Schaltkreise hergestellt ist. Fig. 1A ist eine Querschnittsansicht des Mikroventils. Fig. 1B ist eine Teilansicht des Ventilgehäuses von oben. Die Schnittebene von Fig. 1A ist in Fig. 1B durch eine strichpunktierte Linie A-A' dargestellt.
Ein elektromagnetisches Mikroventil besteht herkömmlicherweise aus einem Ventilgehäuse 1, das Passagen für eine Flüssigkeit begrenzt, und einem elektromagnetischen Steller 2, der mit einer Membran 3 zum Verschließen einer oder mehrerer dieser Passagen verbunden ist.
Das Ventilgehäuse 1 wird gebildet aus einer Scheibe, zum Beispiel aus Silizium, die so geätzt ist, dass es zwei transversale Passagen begrenzt, nämlich einen Einlass 4 und ein Auslass 5 für die Flüssigkeit. Ein ringförmiger Sitz 6, der dazu bestimmt ist, mit der Membran 3 zusammenzuarbeiten, ist ebenfalls in der Siliziumscheibe um eine Öffnung 5' des Auslasses 5 herum gebildet, die annähernd in der Mitte der kreisförmigen Membran mündet. Die Membran 3 ruht auf einem peripheren Ring 7, der von der Oberfläche des Ventilgehäuses vorspringend gebildet ist, das der Membran gegenüberliegt.
Der elektromagnetische Steller 2 wird nach Positionierung der Membran 3 auf dem fertigen Ventilgehäuse angeordnet. Ein Ring 8 zur Aufnahme einer Spule 9 ist zum Beispiel an das Ventilgehäuse 1 geklebt. Dieser Ring 8 ist in dem dargestellten Beispiel mit einem Innengewinde 10 versehen, das mit einem Außengewinde 11 des Solenoids zusammenarbeitet, das die Spule 9 bildet. Das untere Ende der Spule ruht auf der Membran 3 oberhalb des Rings 7, der den äußeren Umfang der Membran aufnimmt. Die Membran3 ist somit auf dichte Weise zwischen den Ring 7 und die Spule 9 geklemmt.
Ein Dauermagnet, hier ein zylindrischer Stab 12, aus einem Material mit permanenter Magnetisierung, ist frei im Kern der Spule 9 untergebracht. Der Magnet 12 bildet einen beweglichen Teil, der mit Hilfe der Spule 9 axial verschoben werden kann.
Wenn die Spule 9 von einem Strom durchflossen wird, führt das von ihr in ihrem Kern erzeugte Magnetfeld dazu, dass sich der Stab 12 senkt, der auf diese Weise die Membran 3 bewegt, bis sie auf dem Sitz 6 ruht. Das Ventil ist nun geschlossen und verhindert, dass die Flüssigkeit vom Einlass 4 zum Auslass 5 fließt. Um das Ventil zu öffnen, genügt es im allgemeinen, das Magnetfeld zu unterdrücken, indem die Polarisierung der Spule 9 unterdrückt wird, damit der Druck der in das Mikroventil eindringenden Flüssigkeit auf die Membran eine Verbindung mit dem Auslass 5 ermöglicht.
Das Dokument WO-A-94/00696 beschreibt ein elektromagnetisches Mikroventil mit einer beweglichen Anordnung aus Kunststoff, in die magnetische Partikel integriert werden können, mit einem Magnetkreis, gebildet aus Teilen aus ferromagnetischem Material, und einem Luftspalt, der durch die Verschiebung der beweglichen Anordnung verschließbar ist.
Ein Nachteil der herkömmlichen elektromagnetischen Mikroventile besteht darin, dass ihre Herstellung komplex ist, da die Spule und der Dauermagnet nicht integriert sind, sondern unterschiedliche Elemente sind, die mit dem Ventilgehäuse verbunden werden. Dies macht darüber hinaus die Anwendung eines Verfahrens zur kompletten, kollektiven Herstellung, wie es zum Beispiel zur Herstellung des Ventilgehäuses angewendet wird, unmöglich.
Mit der Erfindung ist beabsichtigt, diese Nachteile zu beseitigen, indem ein elektromagnetischer Mikrosteller vorgeschlagen wird, dessen Bestandteile alle unter Verwendung von Technologien hergestellt werden, die von denjenigen abgeleitet sind, die im Rahmen der Herstellung von integrierten Schaltkreisen entwickelt wurden. Mit der Erfindung ist auch beabsichtigt, eine kollektive Herstellung von kompletten elektromagnetischen Mikroventilen unter Verwendung dieser Technologien zu ermöglichen.
Um diese Ziele zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung einen elektromagnetischen Mikrosteller mit einer Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das auf eine bewegliche, zumindest teilweise aus einem magnetischen Material bestehende Anordnung wirkt, und mit einem magnetischen Kreis zum Leiten des magnetischen Flusses auf das Niveau eines Luftspaltes, der durch die Verschiebung der beweglichen Anordnung verschließbar ist, vor.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Mikrosteller eine erste Scheibe auf, auf deren ersten Oberfläche die Spule ausgebildet ist und in deren Dicke transversale Bereiche des magnetischen Kreises ausgebildet sind, wobei ein zentraler Bereich eine feste Seite des Luftspaltes begrenzt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Mikrosteller eine zweite Scheibe auf, aus der die bewegliche Anordnung und Arme zum Aufhängen der beweglichen Arme an peripheren Zonen realisiert sind, wobei die bewegliche Anordnung gegenüber dem zentralen Bereich der ersten Scheibe liegt, mit dem sie den Luftspalt begrenzt, wobei die bewegliche Anordnung und deren Aufhängearme zumindest teilweise aus einem magnetischen Material sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Aufhängearme ausschließlich aus magnetischem Material.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die bewegliche Anordnung mit dem zentralen Bereich der ersten Scheibe über einen ununterbrochenen magnetischen Kreis verbunden, der die Aufhängearme, die übrigen transversalen Bereiche der ersten Scheibe und ein Magnetjoch einschließt, welches auf der ersten Oberfläche der ersten Scheibe ruht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet die bewegliche Anordnung einen Ventilkörper zum Absperren von zumindest einer Passage für eine Flüssigkeit, um ein elektromagnetisches Mikroventil zu bilden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Passage durch eine transversale Öffnung gebildet, die in einer dritten Scheibe realisiert ist und am Ort des Ventilkörpers eine Mündung aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Mikrosteller ferner eine Ausgangsöffnung auf, die in den Luftspalt von Seiten der ersten Scheibe aus mündet, wobei die Ausgangsöffnung durch den Ventilkörper verschließbar ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetischen Mikrostellers mit einer Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das auf eine bewegliche, zumindest teilweise aus einem magnetischen Material bestehende Anordnung wirkt, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Aushöhlen, ausgehend von einer ersten Oberfläche einer ersten Scheibe, von drei Ausnehmungen zum Begrenzen von transversalen Passagen eines magnetischen Kreises, wobei eine zentrale Ausnehmung eine geringere Tiefe als die beiden anderen Ausnehmungen aufweist;
- Füllen der Ausnehmungen mit einem magnetischen Material und Formen einer Spule auf dieser ersten Oberfläche durch eine ebene Wicklung von Windungen um die zentrale Ausnehmung;
- Ätzen der der Spule gegenüber liegenden Seite, um an die Füllungen der Ausnehmungen zu gelangen und eine Schulter um die und im Abstand von der zentralen Ausnehmung zu formen;
- Formen in einem magnetischen Material, das auf einer zweiten Scheibe über eine Fläche abgelegt ist, die äquivalent der Fläche ist, in der in der ersten Scheibe die Füllungen aus magnetischem Material abgelegt sind, einer zentralen Zone, die durch Arme an einer peripheren Zone aufgehängt ist;
- Stapeln der Scheiben, wobei die zentrale Füllung der ersten Scheibe mit der zentralen Zone der zweiten Scheibe ausgerichtet wird, um einen Luftspalt zu begrenzen, dessen eine bewegliche Seite definiert ist durch die zentrale Zone der zweiten Scheibe und dessen feste Seite durch die zentrale Füllung der ersten Scheibe gebildet ist; und
- Anordnen eines Magnetjochs auf der ersten Oberfläche der ersten Scheibe, das mit den Füllungen in Kontakt steht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Scheiben aus Silizium, und das magnetische Material ist Ferronickel.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Detail in der folgenden Beschreibung von besonderen Ausführungs- und Anwendungsformen dargelegt, die nicht erschöpfend ist und in der auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei:
- Fig. 1A und 1B, die bereits beschrieben wurden, dazu dienen, den Stand der Technik und das bestehende Problem darzulegen:
- Fig. 2A bis 2C im Quer- bzw. Längsschnitt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Mikrostellers darstellen;
Fig. 3A bis 3G Schritte einer Anwendungsform des Verfahrens zum Herstellen einer ersten Scheibe zeigen, die einen Bestandteil eines Stellers bildet, wie er in Fig. 2A bis 2C dargestellt ist;
- Fig. 4A bis 4F Schritte einer Anwendungsform des Verfahrens zum Herstellen einer zweiten Scheibe zeigen, die einen Bestandteil eines Stellers bildet, wie er in Fig. 2A bis 2C dargestellt ist;
- Fig. 5 eine teilweise Ansicht im Querschnitt einer Ausführungsform eines Magnetjochs eines Stellers ist, wie er in Fig. 2A bis 2C dargestellt ist;
- Fig. 6 im Querschnitt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Mikroventils darstellt;
- Fig. 7 eine Anwendungsform des Verfahrens zum Herstellen einer ersten Scheibe zeigt, die einen Bestandteil eines elektromagnetischen Mikroventils bildet, wie es in Fig. 6 dargestellt ist;
- Fig. 8 eine Anwendungsform des Verfahrens zum Herstellen einer zweiten Scheibe zeigt, die einen Bestandteil eines elektromagnetischen Mikroventils bildet, wie es in Fig. 6 dargestellt ist;
- Fig. 9A und 9B eine Anwendungsform des Verfahrens zum Herstellen einer dritten Scheibe zeigen, die einen Bestandteil eines elektromagnetischen Mikroventils bildet, wie es in Fig. 6 dargestellt ist;
- Fig. 10 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Magnetjochs eines elektromagnetischen Mikroventils ist, wie es in Fig. 6 dargestellt ist; und
- Fig. 11 im Querschnitt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Mikroventils ist.
Der Klarheit halber sind die Darstellungen in den Zeichnungen nicht maßstabgetreu, und die gleichen Elemente wurden in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 2A zeigt in Form einer Querschnittsansicht die Struktur eines erfindungsgemäßen Mikro-Elektromagneten oder elektromagnetischen Mikrostellers. Fig. 2B ist ein Längsschnitt, von oben gesehen, entlang der Linie B-B' von Fig. 2A.
Fig. 2C ist ein Längsschnitt, von unten gesehen, entlang der Linie C-C' von Fig. 2A. Die Querschnittsebene von Fig. 2A ist in Fig. 2B und 2C durch die Linien A-A' dargestellt.
Wie in Fig. 2A zu sehen ist, umfasst ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Mikrosteller einen magnetischen Kreis 20 mit einem festen Teil 21 und einem beweglichen Teil 22. Der magnetische Kreis umgibt eine Spule 23, um den magnetischen Fluss zu einem Luftspalt 24 zu leiten, den der Kreis 20 unterhalb des Kerns der Spule 23 aufweist.
Ein Merkmal der Erfindung ist es, dass eine erste Seite des Luftspaltes 24 durch den beweglichen Teil 22 definiert wird, wodurch er unter der Einwirkung des Magnetfeldes verschließbar wird.
Der bewegliche Teil 22 des magnetischen Kreises 20 und die Spule 23 sind zum Beispiel aus Scheiben realisiert, wie sie zur Bildung von Substraten für integrierte Schaltkreise verwendet werden. Es handelt sich zum Beispiel um Siliziumscheiben.
Die Spule 23 ist gemäß der Erfindung durch eine ebene Wicklung (Fig. 2B) realisiert, vorzugsweise mit geradlinigen Abschnitten, um ihre Bildung auf einer ersten Scheibe 25 zu erleichtern, die zum Beispiel aus Silizium ist, das vorzugsweise oxidiert ist. Die Spule wird durch Ablegen eines leitenden Materials auf der Scheibe 25 gebildet. Eine Isolierschicht 26 schützt die Spule 23 elektrisch vor einem Magnetjoch 27, das den magnetischen Kreis 20 schließt.
Der bewegliche Teil 22 des magnetischen Kreises 20 wird durch eine Schicht auf Basis eines weichen magnetischen Materials, zum Beispiel Weicheisen, Ferrosilizium, Ferrokobalt oder Ferronickel, gebildet. Dieses Material wird gewählt, weil es eine starke Permeabilität (geringe Reluktanz) und eine geringe Remanenz aufweist, so dass der bewegliche Teil nach Unterbrechung der Stromversorgung der Spule wieder in seine Ausgangsposition zurückkehrt. Diese Schicht wird auf einer zweiten Scheibe 28 gebildet, die zum Beispiel aus Silizium ist, das vorzugsweise oxidiert ist.
In die Scheibe 28 wird ein Muster zur Definition der Aufhängearme 29 geätzt, und zwar ausgehend von peripheren Zonen 30 zu einer zentralen Zone 31, die die bewegliche Seite des Luftspaltes 24 bildet. Auf diese Weise wird durch die zentrale Zone 31 des magnetischen Kreises und einen Siliziumbereich, auf dem diese zentrale Zone ruht, eine bewegliche Anordnung 35 gebildet.
Die Verbindung zwischen dem Magnetjoch 27 und den peripheren Zonen 30 wird durch transversale Bereiche oder Füllungen 32 von durchgehenden Passagen realisiert, die in der ersten Scheibe 25 gebildet sind. Eine zweite, feste Seite des Luftspaltes 24 wird ebenfalls durch einen transversalen Bereich oder eine Füllung 33 einer Passage gebildet, die die Scheibe 25 im Bereich des Kerns der Spule 23 durchquert. Die Scheibe 25 weist an ihrer der Scheibe 28 gegenüber liegenden Oberfläche eine Schulter 34 auf, die die Entfernung zwischen den beiden Seiten des Luftspaltes 24 festlegt. Diese Schulter 34 ermöglicht die Verschiebung der beweglichen Anordnung 35 unter der Wirkung des Magnetfeldes.
Somit sind alle Bestandteile des elektromagnetischen Stellers integriert und können durch einen kollektiven Prozess auf Siliziumscheiben realisiert werden. Die Scheiben werden nach der Bildung aller Bestandteile der Steller, die sie definieren, verbunden und dann gestanzt, um die einzelnen Steller zu trennen.
Gemäß einer Variante sind die Aufhängearme 29, die peripheren Zonen 30 und die zentrale Zone 31 aus Scheiben aus einem weichen magnetischen Material gebildet. Es kann sich zum Beispiel um Scheiben handeln, die auf herkömmliche Weise gestanzt, bearbeitet und photogeätzt wurden und kein Siliziumsubstrat aufweisen. Auch hier wendet man einen kollektiven Herstellungsprozess an, wobei diese Scheiben, die die gleiche Form wie die Siliziumscheiben aufweisen können, aus denen zum Beispiel die Scheibe 25 besteht, verbunden werden, bevor sie gestanzt werden, um die einzelnen Steller zu trennen. Gegebenenfalls können die Scheiben aus magnetischem Material quadratisch sein und auf entsprechende Weise auf den Siliziumscheiben angeordnet werden.
Fig. 3A bis 3 G, 4A bis 4F und 5 zeigen eine Anwendungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die es ermöglicht, ausgehend von Siliziumscheiben eine Stellerstruktur herzustellen, wie sie in Fig. 2A bis 2C dargestellt ist.
Fig. 3A bis 3 G zeägen teilweise Querschnitte der Scheibe 25, die die Spule 23 trägt, in verschiedenen Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die gesamte Scheibe 25 wird als erstes an ihren beiden Oberflächen einer Oxidation (nicht dargestellt) unterzogen, so dass eine dicke oxidierte Schicht entsteht.
Auf der ersten Scheibe 25 bildet man sodann Vorätzungen 41 (Fig. 3A) für die durchgehenden Passagen, die dazu bestimmt sind, die Füllungen 32 aus magnetischem Material aufzunehmen. Die Vorätzungen 41 werden durch Photoätzen hergestellt. Diese Vorätzungen weisen eine geringe Tiefe (zum Beispiel etwa 50 um) auf, die, wie man in der Folge sehen wird, der gewünschten Höhe des Luftspaltes 24 entspricht.
Dann wird, ebenfalls durch Photoätzen, eine tiefe Ätzung ausgeführt (Fig. 3B), um die Ausnehmungen 43 bzw. 44 zu erzielen. Die Tiefe dieser Ausnehmungen entspricht der gewünschten Dicke der Füllungen 32 bzw. 33. Die tiefe Ätzung weist zum Beispiel eine Tiefe in der Größenordnung von 270 um auf, so dass die Tiefe der Ausnehmungen 43 und 44 etwa 320 um bzw. 270 um beträgt.
Die Ätzungen sind zum Beispiel isotrope chemische Ätzungen. Der Anschnittwinkel dieser Ätzungen in der Siliziumscheibe resultiert aus der Kristallstruktur des Siliziums und beträgt etwa 54 Grad im Fall einer Scheibe, deren Schnittebene einer Ebene (1, 0, 0) entspricht.
Eine dünne leitende Schicht (nicht dargestellt), zum Beispiel aus Chrom, wird in den Ausnehmungen 43 und 44 mit Hilfe einer Schicht zur Entfernung durch Abheben (nicht dargestellt) abgelegt, um die Zonen zum Ablegen eines magnetischen Materials zu definieren, das die Füllungen 32 und 33 bildet.
Das weiche magnetische Material, zum Beispiel Ferronickel, wird durch Galvanoplastik in den Ausnehmungen 43 und 44 abgelegt, wodurch die Füllungen 32 und 33 gebildet werden (Fig. 3C).
Dann wird die Spule 23 (Fig. 3D) auf ähnliche Weise wie die Füllungen 32 und 33 realisiert. In anderen Worten ausgedrückt, zerstäubt man eine dünne Chromschicht (nicht dargestellt) auf einer Harzschicht (nicht dargestellt), die gemäß einem Muster zur Definition der Abschnitte der Spule geöffnet ist und die eine Schicht zur Entfernung durch Abheben der Chromrückstände bildet. Die restliche Chromschicht bildet eine Haftschicht für ein leitendes Material, zum Beispiel Kupfer, das durch Galvanoplastik in eine Harzmaske (nicht dargestellt) abgelegt wird, deren Dicke mindestens der gewünschten Dicke der Abschnitte der Spule 23 entspricht.
Danach werden aufeinanderfolgende Ätzungen ausgehend von der hinteren Oberfläche der Scheibe 25 ausgeführt (Fig. 3E und 3F), um die Füllungen 32 und 33 durchgehend zu machen und eine Verbindung Silizium/Silizium zwischen den Scheiben 25 und 28 zu ermöglichen.
Diese Ätzungen äußern sich als erstes in der Bildung einer Schulter 45 (Fig. 3E), die die Füllungen 32 durchgehend macht, um die Kontinuität des magnetischen Kreises außerhalb der Spule 23 zu sichern, und die eine Verbindung Silizium/Silizium zwischen den Scheiben 25 und 28 ermöglicht. Die Tiefe der Schulter 45 wird in Abhängigkeit von der gewünschten Dicke des beweglichen Teils des magnetischen Kreises gewählt und beträgt zum Beispiel etwa 60 um. Unter Berücksichtigung der verschiedenen oben beschriebenen Beispiele für die Ätztiefe kann die Scheibe 25 ursprünglich eine Dicke von zum Beispiel etwa 380 um aufweisen.
Als zweites wird eine Schulter 34 geformt (Fig. 3F), die dazu dient, die Füllung 33 im zentralen Teil des Stellers durchgehend zu machen. Die Tiefe dieser Schulter 34 entspricht der für den Luftspalt 24 gewählten Dicke und beträgt zum Beispiel etwa 50 um.
Schließlich wird eine Isolierschicht 26 (Fig. 3 G) auf der Spule 23 abgelegt. Die oben beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Zum Beispiel kann die Isolierschicht auf der in der Fig. 3D dargestellten Struktur vor den Ätzungen der hinteren Oberfläche der Scheibe 25 gebildet werden.
Fig. 4A bis 4F stellen teilweise Querschnitte der den beweglichen Teil 22 des magnetischen Kreises 20 tragenden Scheibe 28 in verschiedenen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Der Klarheit halber sind Fig. 4B bis 4D Vergrößerungen der in Fig. 4A und 4D bis 4F dargestellten, zentralen Zone, wo die Aufhängearme 29 gebildet werden.
Die gesamte Scheibe 28 wird als erstes an ihren beiden Oberflächen einer Oxidation (nicht dargestellt) unterzogen, so dass eine dicke oxidierte Schicht entsteht.
Dann beginnt man von der hinteren Oberfläche der Scheibe 28 aus mit einer anisotropen Photoätzung, um die Muster 50 zu bilden (Fig. 4A), in denen die Aufhängearme 29 und die Öffnungen, die diese von den peripheren Zonen 30 und der zentralen Zone 31 trennen, eingeschrieben sind. Diese Ätzung wird in geringer Entfernung (zum Beispiel etwa 20 um) von der vorderen Oberfläche der Scheibe 28 gestoppt, die dazu dient, den beweglichen Teil 22 des magnetischen Kreises 20 zu tragen. Der Teil der Scheibe 28, der unter der zentralen Zone 31 zurückbleibt, bildet mit der letztgenannten die bewegliche Masse 35.
Anschließend wird das Muster der Öffnungen zwischen den Aufhängearmen 29 und den peripheren Zonen 30 bzw. der zentralen Zone 31 mit Hilfe einer Harzschicht 51 (Fig. 4B) in der gewünschten Form festgelegt. Diese Harzschicht 51 dient als Schicht zur Entfernung durch Abheben einer dünnen Haftschicht 52, zum Beispiel aus Chrom 52, die danach abgelegt wird.
Nach Öffnung der Schicht 52 wird eine Harzschicht 53 (Fig. 4C) gebildet, wobei man dem Muster der in der Schicht 52 gebildeten Öffnungen folgt. Die Dicke der Harzschicht 53 wird so gewählt, dass sie zumindest gleich der gewünschten Dicke des beweglichen Teils 22 des magnetischen Kreises 20 ist.
Danach wird durch Galvanoplastik ein weiches magnetisches Material, zum Beispiel Ferronickel, in dem durch die Harzschicht 53 definierten Muster abgelegt. Die Dicke dieser Schicht, die den beweglichen Teil 22 definiert, beträgt zum Beispiel etwa 60 um. Nach Entfernen der Schicht 53 (Fig. 4D und 4E) erhält man in dem magnetischen Material die Aufhängearme 29, die peripheren Zonen 30 und die zentrale Zone 31.
Schließlich wird eine anisotrope Photoätzung durchgeführt (Fig. 4F), um die geringe restliche Dicke der Scheibe 28 am Ort der Aufhängearme 29 und der Öffnungen, die diese Arme von den peripheren Zonen 30 und der zentralen Zone 31 trennen, zu entfernen.
Gemäß einer nicht dargestellten Variante erstreckt sich die Ätzung der Scheibe 28, die im ersten, in Fig. 4A dargestellten Schritt ausgeführt wurde, unter die zentrale Zone 31, so dass nur an der Peripherie des beweglichen Teils 22 Silizium zurückbleibt.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die Form, die das Magnetjoch 27 aufweisen kann, das dazu dient, den magnetischen Kreis 20 über der Spule 23 zu schließen. Ein derartiges Joch, das zum Beispiel aus einer Scheibe aus weichem magnetischem Material, zum Beispiel Weicheisen, Ferrosilizium, Ferrokobalt oder Ferronickel, hergestellt ist, kann einfach ausgehöhlt werden, um einen Einschnitt 55 zur Aufnahme der Spule 23 aufzuweisen, die von der Scheibe 25 vorspringt.
Nach der Fertigstellung der beiden Scheiben 25 und 28 und des Jochs 27 werden diese zum Beispiel durch Schweißen oder Kleben verbunden. Der bewegliche Teil 22 des magnetischen Kreises wird in den Raum eingefügt, der durch die Schulter 45 der Scheibe 25 begrenzt wird, so dass das Silizium der Scheibe 25 außerhalb des magnetischen Kreises auf dem Silizium der Scheibe 28 aufliegt. Dies ermöglicht ein leichteres Schweißen durch den Kontakt Silizium auf Silizium. Eine ähnliche Technik kann für das Magnetjoch 27 angewendet werden, wenn dieses auf einer Siliziumscheibe gebildet wird, in der eine Struktur geformt wird, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. In diesem Fall besteht die äußere Oberfläche des Jochs aus Silizium, und die Füllungen aus magnetischem Material bleiben auf die Peripherie begrenzt, zum Beispiel am Ort der Füllungen 32 der Scheibe 25.
Fig. 6 bis 10 zeigen in Form von Querschnittsansichten ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Mikroventils, bei dem der Steller aus einer Struktur besteht, wie sie in den vorherigen Figuren dargestellt ist. Fig. 6 zeigt erfindungsgemäßes, verbundenes Mikroventil. Fig. 7, 8 und 10 zeigen die Struktur der Scheiben 25 bzw. 28 und des Magnetjochs 27 des Stellers, mit dem das in Fig. 6 dargestellte Mikroventil ausgestattet ist. Fig. 9A und 9B zeigen eine dritte Scheibe, die ein Ventilgehäuse bildet, in verschiedenen Stufen einer Anwendungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der folgenden Beschreibung eines erfindungsgemäßen Mikroventils werden nur die Änderungen im Vergleich zur Struktur des in Fig. 2A bis 2C dargestellten Stellers beschrieben.
Ein Mikroventil, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, umfasst eine dritte Scheibe 60, zum Beispiel aus Silizium, die das Ventilgehäuse bildet. Diese Scheibe 60 umfasst zwei transversale Öffnungen, zum Beispiel eine Einlassöffnung 61 und eine Auslassöffnung 62 für eine Flüssigkeit, für die das Mikroventil bestimmt ist. Die Öffnung 61 mündet in die hintere Oberfläche der beweglichen Anordnung 35, die einen Ventilkörper zum Absperren der Öffnung 61 bildet. Die Öffnung 62 mündet am Ort eines Aufhängearms 29 des Stellers. Vorzugsweise ist in der Peripherie dieser Öffnung 61 ein Sitz 63 gebildet, der mit dem Ventilkörper 35 zusammenarbeitet.
Die erste Scheibe 25 weist in der Füllung 33 eine transversale Öffnung 64 auf, die eine Ausgangsleitung des Mikroventils bildet. Diese Öffnung 64 setzt sich im Magnetjoch 27 fort, um an der oberen Oberfläche des Stellers zu münden.
Die erste Scheibe 25 ist leicht abgeändert, sie weist an der Peripherie der zentralen Zone 33 einen Sitz 65 (Fig. 7) auf, der mit der Peripherie der zentralen Zone 31 zusammenarbeitet, um die Dichtigkeit zwischen der Öffnung 64 und dem Ventilgehäuse zu gewährleisten, wenn sich der Luftspalt 24 in der geschlossenen Position befindet. Dieser Sitz 65 kann zu einer Ausnehmung 66 im Silizium der Scheibe 25 am Ort der Aufhängearme 29 gehören, um das Entweichen zwischen den Öffnungen 62 und 64 zu begünstigen, wenn der Luftspalt 24 offen ist (in Fig. 6 dargestellte Position).
Die Bildung des Sitzes 65 und der Ausnehmung 66 kann zu dem Zeitpunkt erfolgen, in dem die Schulter 34 (siehe Fig. 3F) realisiert wird.
Die zweite Scheibe 28 (Fig. 8) ihrerseits weist eine Struktur auf, die mit der in Fig. 4F dargestellten identisch ist. Man achtet hier einfach darauf, eine zentrale Siliziumzone am Ort der zentralen Zone 31 zu bewahren, die als Ventilkörper 35 zum Absperren der Öffnung 61 fungiert, die in der Scheibe 60 gebildet ist. In die Scheibe 60, die das Ventilgehäuse bildet, werden zum Beispiel zuerst von der hinteren Oberfläche aus auf anisotrope Weise tiefe Ätzungen 67 und 68 (Fig. 9A) vorgenommen, die das Muster der Öffnungen 61 bzw. 62 festlegen. Die Dicke des nach dieser Ätzung zurückbleibenden Siliziums wird so gewählt, dass sie der gewünschten Höhe des Sitzes 63 entspricht.
Anschließend wird von der vorderen Oberfläche der Scheibe 60 aus eine Ätzung mit geringer Tiefe (zum Beispiel etwa 20 um) vorgenommen, um den Sitz 63 zu bilden und die Öffnungen 61 und 62 durchgehend zu machen.
Die Öffnungen 61 und 62 sind vorzugsweise kreisförmig, und auch die Sitze 63 und 65 sind vorzugsweise kreisförmig, wobei sie gegebenenfalls in quadratische Oberflächen eingeschrieben werden können, die von den zwei Oberflächen des Ventilkörpers 35 definiert werden, mit denen sie jeweils zusammenarbeiten.
Das in Fig. 6 dargestellte Mikroventil stellt ein Ventil mit drei Wegen 61, 62 und 64 und zwei Zuständen (offen/geschlossen) dar. Dieses Ventil ist insofern ein normalerweise geschlossenes Ventil, als in Abwesenheit von Strom in der Spule der Ventilkörper 35 die Einlassöffnung 61 verschließt. Das Ventil ist darüber hinaus direkt gesteuert, da der Steller direkt auf den Ventilkörper 35 einwirkt.
Um ein normalerweise offenes Ventil herzustellen, genügt es, dass die Öffnung 64 den Flüssigkeitseinlass, die Öffnung 62 den Flüssigkeitsauslass und die Öffnung 61 den Ausgang darstellt.
Man kann auch ein eine Umschaltfunktion zwischen zwei Flüssigkeitsauslässen realisieren, die Öffnung 62 stellt in diesem Fall den Flüssigkeitseinlass dar, während die Öffnungen 61 und 64 die Auslässe bilden.
Man kann auch ein normalerweise geschlossenes Ventil mit zwei Wegen und zwei Zuständen herstellen, indem man die Öffnung 64 nicht realisiert oder dauerhaft verschließt. Um ein normalerweise offenes Ventil mit zwei Wegen und zwei Zuständen zu erzielen, realisiert man die Öffnung 61 nicht.
Fig. 11 stellt im Querschnitt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Mikroventils dar. Bei der Herstellung eines derartigen Mikroventils werden dieselben Ätztechniken eingesetzt wie diejenigen, die im Zusammenhang mit den vorherigen Figuren beschrieben wurden.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschriebenen insbesondere durch das Vorhandensein einer seitlichen Öffnung 70 zur Flüssigkeitspassage und durch die Tatsache, dass zu diesem Zweck die Aufhängearme 29 des Ventilkörpers 35 auf der Oberfläche der zweiten Scheibe 28 gebildet sind, die der dritten Scheibe 60 gegenüber liegt. Die erste Scheibe 25, auf der die Spule 23 gebildet ist, entspricht der Scheibe 25 der ersten, in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform, mit Ausnahme der Tatsache, dass eine der beiden durchgehenden Passagen 32 unterbrochen ist, um die Bildung eines ersten Teils 71 der Öffnung 70 zu ermöglichen.
Die zweite Scheibe 28 dieser Ausführungsform weist einen zweiten Teil 72 der seitlichen Öffnung 70 auf. Die peripheren Zonen 30 sind mit durchgehenden Füllungen 73 verbunden, die es ermöglichen, die Kontinuität des magnetischen Kreises mit den Füllungen 32 der Scheibe 25 zu gewährleisten. Eine zentrale Füllung 74 begrenzt mit der zentralen Füllung 33 der Scheibe 25 den Luftspalt 24.
Die dritte Scheibe 60 entspricht der in Fig. 9A und 9B dargestellten mit Ausnahme der Tatsache, dass hier nur die zentrale Öffnung 61 gebildet ist.
Das Magnetjoch 27 entspricht dem in Fig. 10 dargestellten Magnetjoch.
Das in Fig. 11 dargestellte Mikroventil stellt ein Ventil mit drei Wegen 61, 70 und 64 und zwei Zuständen (offen/geschlossen) dar. Wenn man annimmt, dass der Flüssigkeitseinlass durch die Öffnung 61 und der Auslass durch die Öffnung 70 gebildet wird, ist dieses Ventil insofern ein normalerweise geschlossenes Ventil, als in Abwesenheit von Strom in der Spule der Ventilkörper 35 die Einlassöffnung 61 verschließt.
Um ein normalerweise offenes Ventil herzustellen, genügt es, dass die Öffnung 64 den Flüssigkeitseinlass, die Öffnung 70 den Flüssigkeitsauslass und die Öffnung 61 den Ausgang darstellt.
Wenn man eine Umschaltfunktion zwischen zwei Flüssigkeitsauslässen erzielen will, stellt die Öffnung 70 den Flüssigkeitseinlass dar, während die Öffnungen 61 und 64 die Auslässe bilden.
Man kann auch ein normalerweise geschlossenes Ventil mit zwei Wegen und zwei Zuständen herstellen, indem man die Öffnung 64 nicht realisiert oder dauerhaft verschließt. Um ein normalerweise offenes Ventil mit zwei Wegen und zwei Zuständen zu erzielen, realisiert man die Öffnung 61 nicht.
Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung verschiedene Varianten und Änderungen aufweisen, die für den Fachmann offensichtlich sind. Insbesondere kann jede der Komponenten der abgelegten Schichten durch eine oder mehrere Komponenten mit derselben Funktion ersetzt werden.
Darüber hinaus wurden oben die Erfindung und ihre Varianten einzig für den Fall beschrieben, dass die Scheiben, aus denen die Struktur besteht, Siliziumscheiben sind, da die Mikroätztechnologien für Silizium am weitesten entwickelt sind. Es ist jedoch festzustellen, dass in der beschriebenen Struktur die Halbleitereigenschaften von Silizium nicht genutzt werden. Daher könnte man auch andere nichtmagnetische Materialien als Ersatz für das Silizium verwenden, je nachdem, welche physikalisch-chemischen Eigenschaften gewünscht sind (Glas, Isoliermaterial usw.).
Obwohl in der obigen Beschreibung auf einen Steller mit allgemein quadratischer Form Bezug genommen wurde, ermöglicht es die Erfindung, einen Steller mit beliebiger allgemeiner Form herzustellen, zum Beispiel einen rechteckigen, kreisförmigen, ovalen oder vieleckigen.

Claims

1. Elektromagnetischer Mikrosteller, mit einer Spule (23) zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das auf eine bewegliche, zumindest teilweise aus einem magnetischen Material (31) bestehende Anordnung (35) wirkt, mit einem magnetischen Kreis (20) zum Leiten des magnetischen Flusses auf das Niveau eines Luftspaltes (24), der durch die Verschiebung der beweglichen Anordnung (35) verschließbar isst, dadurch gekennzeichnet, dass er eine erste Scheibe (25) aufweist, auf deren einer ersten äußeren Oberfläche die Spule (23) ausgebildet ist und in deren Dicke transversale Bereiche (32, 33) des magnetischen Kreises (20) ausgebildet sind, wobei diese transversalen Bereiche einen zentralen Bereich (33) umfassen, der eine feste Seite des Luftspaltes (24) begrenzt.

2. Elektromagnetischer Mikrosteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine zweite Scheibe (28) aufweist, aus der die bewegliche Anordnung (35) und Arme (29) zum Aufhängen der beweglichen Anordnung an peripheren Zonen (30) realisiert sind, wobei die bewegliche Anordnung (35) gegenüber dem zentralen Bereich (33) der ersten Scheibe (25) liegt, mit dem sie den Luftspalt (24) begrenzt, wobei die bewegliche Anordnung (35) und deren Aufhängearme (29) zumindest teilweise aus einem magnetischen Material sind.

3. Elektromagnetische Mikrosteller, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängearme (29) ausschließlich aus magnetischem Material sind.

4. Elektromagnetischer Mikrosteller nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Anordnung (35) mit dem zentralen Bereich (33) der ersten Scheibe (25) über einen ununterbrochenen magnetischen Kreis verbunden ist, der die Aufhängearme (29), die übrigen transversalen Bereiche(32) der ersten Scheibe (25) und ein Magnetjoch (27) einschließt, welches auf der ersten über - fläche der ersten Scheibe (25) ruht.

5. Elektromagnetischer Mikrosteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Anordnung (35) einen Ventilkörper zum Absperren zumindest einer Passage (61,64,70) für eine Flüssigkeit bildet, um ein elektromagnetisches Mikroventil zu bilden.

6. Elektromagnetischer Mikrosteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Passage durch eine transversale Öffnung (61) gebildet ist, die in einer dritten Scheibe (60) realisiert ist und am Ort des Ventilkörpers (35) eine Mündung aufweist.

7. Elekrtomagnetischer Mikrosteller nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine Ausgangsöffnung (64) aufweist, die in den Luftspalt (24) von Seiten der ersten Scheibe (25) aus mündet, wobei die Ausgangsöffnung (64) durch den Ventilkörper (35) verschließbar ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetischen Mikrostellers mit einer Spule (23) zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das auf eine bewegliche, zumindest teilweise aus einem magnetischen Material (21) bestehende Anordnung (35) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist:

- Aushöhlen, ausgehend von einer ersten Oberfläche einer ersten Scheibe (25), von drei Ausnehmungen (43, 44) zum Begrenzen von transversalen Passagen eines magnetischen Kreises (20); wobei eine zentral Ausnehmung (44) eine geringere Tiefe als die beiden anderen Ausnehmungen (43) aufweist;

Füllen der Ausnehmungen (43, 44) mit einem magnetischen Material und Formen einer Spule (23) auf dieser ersten Oberfläche durch eine ebene Wicklung von Windungen um die zentrale Ausnehmung (44);

- Ätzen der der Spule (23) gegenüber liegenden Seite, um an die Füllungen (32, 33) der Ausnehmungen (43, 44) zu gelangen und eine Schulter (34) um die und im Abstand von der zentralen Ausnehmung (44) zu formen;

Formen in einem magnetischen Material, das auf einer zweiten Scheibe (28) über eine Fläche abgelegt ist, die äquivalent der Fläche ist, in der in der ersten Scheibe (25) die Füllungen (32, 33) aus magnetischem Material abgelegt sind, einer zentralen Zone(31), die durch Arme (29) an einer peripheren Zone (30) aufgehängt ist;

Stapeln der Scheiben (25,28), wobei die zentrale Füllung (33) der ersten Scheibe (259 mit der zentralen Zone (31) der zweiten Scheibe (28) ausgerichtet wird, um einen Luftspalt (24) zu begrenzen, dessen eine bewegliche Seite definiert ist durch die zentrale Zone (31) der zweiten Scheibe (28) und dessen feste Seite durch die zentrale Füllung (33) der ersten Scheibe (25) gebildet ist, und

- Anordnen eines Magnetjoches (27) auf der ersten Oberfläche der ersten Scheibe (25), das mit den Füllungen (32, 33) in Kontakt steht.

9. Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetischen Mikrostellers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (25,28) aus Silizium sind und dass das magnetische Material Ferro-Nickel ist.