EP0741839B1 - Micro-diaphragm pump - Google Patents
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- EP0741839B1 EP0741839B1 EP95903302A EP95903302A EP0741839B1 EP 0741839 B1 EP0741839 B1 EP 0741839B1 EP 95903302 A EP95903302 A EP 95903302A EP 95903302 A EP95903302 A EP 95903302A EP 0741839 B1 EP0741839 B1 EP 0741839B1
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Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
- F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
- F04B43/04—Pumps having electric drive
- F04B43/043—Micropumps
Definitions
- the invention relates to a micro diaphragm pump according to the preamble of claim 1, as from R. Rapp, W. K. Schomburg, P. Bley, "Concept, Development and Realization a micromembrane pump using LIGA technology ", KfK report no. 5251, (1993).
- This pump is from an external pneumatic actuator and is able to to promote gaseous media.
- the pump has a pump membrane made of titanium and valves consisting of a titanium and a Polyimide membrane exist.
- the pump membrane can reach the bottom the pump chamber can be deflected and in this way a high compression ratio.
- For the deflection of the Pump diaphragm becomes a relatively high pressure required that is not generated by an integrated actuator can be.
- all pumps must be manufactured individually be glued, which requires a lot of effort. The Manufacturing this pump requires many in a row individual steps to be carried out.
- micromembrane pumps are known e.g. two differently driven pumps, which in H.T.G. van Lintel, F.C.M. van de Pol, "A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon ", sensors and Actuators, 15 1988 153-167 and H.T.G. van Lintel, H.T.G. van Lintel, M. Elwenspoek, J.H.J. Fluitman, "A thermopneumatic pump based on micro-engineering techniques ", sensors and Actuators, A21-A23 1990, 198-202.
- the first Pump has a pump membrane with glued-on piezoceramic
- the second pump has one above the pump membrane thermopneumatic drive in the form of a heat supply expanding air volume. Both pumps have integrated intake and exhaust valves.
- the fixed and moving parts of the mentioned micro diaphragm pumps are essentially made of the basic materials silicon and Made of glass.
- the elastic parts of the pumps described are primarily the pump and valve membranes thinly etched using different etching processes.
- the smallest membrane thicknesses are of the order of magnitude 20 mm.
- the thickness of the membranes and the material properties of glass or silicon provide the pumping power for these pumps essentially restrictive constraints. It are only small deflections with relatively large membrane diameters possible. As a result, such pump membranes can be used not those necessary to extract gases Achieve compression ratios.
- the diameter The valves are chosen very large for flexibility of the valve membranes and thus the pressure loss in the forward direction to keep small.
- US-A-3 606 592 and GB-A-2 088 965 show the possibility via a grid embedded in the membrane to allow increased temperature and thus heat generation, one or more interconnected cavity systems are however not available.
- the object of the invention is to provide a pump of the e. G. Way of designing that with just a few work steps you can do a simple one Construction can be built.
- a particular advantage of the pump is that the simultaneous, parallel production of many pumps with few Manufacturing steps made possible with as little effort becomes.
- the lowest possible manufacturing effort relates doing both on the manufacture of the individual components of the pump such as pump housings, pump diaphragms and valves as well as on the simultaneous and exact bonding of many micro components in one step.
- the membrane minimized pressure losses in the area of the actuator chamber.
- FIG. 1 shows a schematic cross section through a pump and FIG. 2 shows a molding tool for the production thereof.
- Fig. 8 shows an example of the manufacture a membrane with a heating coil.
- Figure 1 shows schematically the basic structure of the micropump.
- a polyimide membrane 3 with a thickness of 2 mm is on it Top with the pump housing upper part 1 and on its underside glued to the pump housing lower part 2.
- the pump housing contain the non-movable functional components of the Pump. These are the actuator chamber in the pump housing upper part 1 17, various flow channels 6, the valve chamber 8 and the Valve seat of the intake valve 10, the valve chamber of the exhaust valve 13, fluid inlet 5, fluid outlet 7, a coherent Cavity system 19 for filling with adhesive, and Filling openings 20 and outlet openings for filling with glue. Also not shown are openings for the electrical contacting of the pump available.
- the functional components are the pump chamber 16 in the lower part of the pump housing, the flow channels 6 between valves and pump chamber, the Valve chamber of the intake valve 9, the valve seat of the exhaust valve 14, a cavity system 18 for filling with adhesive, Glue inlet 22 and glue outlet 23. Cavities 18, 19 for the filling process and the cavities 6, 8, 9, 12, 13, 16, 17 are delimited from one another by webs 24, with the help of which the lateral structures are formed and the structure height is exact To be defined.
- the polyimide membrane 3 is characterized by high elasticity and forms in the area of the actuator chamber 17 the pump membrane. In the area of the inlet valve 8, 9, 10 and the exhaust valve 12, 13, 14 are each one Holes 11 and 15 in the polyimide membrane 3.
- valve action arises from the fact that the hole in the membrane through the plan Valve seat is closed, provided there is overpressure on the Valve seat opposite side prevails, or that the Diaphragm with reverse pressure from the valve seat takes off that the hole in the membrane is released and a flow arises.
- the micromembrane pump is driven due to the thermal expansion of a fluid which is located in the actuator chamber 17 and through a on the polyimide membrane applied metallic heating coil 4 heated becomes.
- a short current pulse is applied to the heating coil 4. This heats up and gives off heat both to the medium in the actuator chamber 17 and to the medium in the pump chamber. If there are gaseous media in the actuator chamber 17 and pump chamber 16, the resulting from the heating directs Pressure increase of the actuator gas from the pump membrane.
- the deflection of the pump membrane 3 reduces the volume of the pump chamber 16 and, together with the simultaneous heating of the pump gas, leads to an increase in pressure in the pump chamber 16.
- By using a liquid medium which boils at low temperature in the actuator chamber 17 the expansion of the medium is reduced by the latter Evaporation reached, which can generate very high actuator pressures.
- the consequence of the pressure increase in the actuator chamber 17 is again the deflection of the pump membrane 3 in the direction of the pump chamber 16.
- the cooling of the medium begins in the actuator chamber 17 by heat conduction and heat radiation.
- the gaseous medium in the actuator chamber pressure and volume decrease inside the actuator chamber according to the gas laws, in the case of the vaporized liquid returns condensation to its original state.
- the Pump diaphragm moves back to its original position and thus creates as a result of the pump medium previously ejected a negative pressure in the pump chamber 16 and on the valves. Closes according to the valve function described above now the exhaust valve while the intake valve opens and Pump medium enters into the pump chamber. Repeat these operations each pump cycle.
- the heating coil attached directly to the pump membrane has in addition to the resulting simple manufacturing process other significant advantages.
- On the one hand is the heat transfer minimized on the pump housing in the heating phase.
- the second is when using a low boiling liquid the recondensation of the actuator medium as the actuator medium initiated by the pumped medium at the location of the heating coil. This ensures that at the beginning of the next Heating phase the heating coil in optimal thermal contact with the Actuator liquid is standing.
- FIG. 3 shows an embodiment of a valve.
- the Valves are characterized in that they consist of a flexible, free spanned membrane 3, which in the central Area has a microstructured opening 11.
- the outline the valve opening 11 and the membrane clamping 25 can, as shown by way of example in FIG. 4, round, oval or through a Polygon be writable.
- Figure 3 explains the principles Structure of a valve as manufactured in the Pumping is implemented.
- Located on one side of the membrane a flat, fixed valve seat 10, which the opening of the Valve membrane by at least the width of the required Sealing surface between diaphragm and valve seat covered.
- the valve seat is part of one of the two pump bodies that are connected to the Membrane are connected.
- the tightness of the valves in the blocking direction is determined by the degree of coverage, the surface roughness of valve membrane and valve seat and essential determined by the flexibility of the valve membrane.
- FIG. 5a shows the relationships of the executed example. Membrane clamping and valve seat are on one level.
- Figure 5b shows the embodiment of a high valve seat, which in no-load condition the membrane bulges upwards.
- Opening the valve requires a considerable pressure difference the valve remains until this pressure difference is reached closed in the forward direction.
- the pressure drop at a given Flow and therefore the drop in performance is higher than in Figure 5a.
- the reflux decreases Load changes through the smaller stroke volume and through the less flexibility of the free, more tense Membrane. This configuration is advantageous if Small volume flows rectified under large pressure differences should be or if the load change frequencies are high are.
- valve seat does not reach that Level of membrane clamping, the membrane is in the no load Case freely stretched over its entire surface.
- the valve has in the forward direction a lower flow resistance than in case a, closes in the blocking direction only after reaching a barrier pressure.
- the adhesive technology mentioned in claim 5 overrides all of these Disadvantages and is due to their simplicity and low Number of steps for the parallel bonding of Microstructures ideally suited.
- the prerequisites for successful Gluing created.
- the basic idea is that itself on a substrate that has a large number of microstructures may contain concave structures around the microstructures are around that are contiguous or partially contiguous can be and from the functional areas the microstructures separated by bars of constant height are.
- the concave structures have the task, in fact Adhesive step to take up the adhesive so that after gluing the adhesive, separated by the webs, round around the microstructures.
- the adhesive takes over the function of the mechanical linkage of the joining partners, the Sealing of individual microstructures and the joining partners with each other and contributes to degradation through internal relaxation processes of residual stresses, e.g. B. by temperature changes arise between the adhesive partners, at.
- the bridges have them Task, due to their height, an exactly reproducible reference height to specify for the setting of the adhesive joint thickness and while the adhesive flows into the microstructures to avoid the gluing process.
- FIG. 6 explains the conditions on the basis of a supervision of the Lower part of the housing of the micropumps as they were manufactured.
- 18 means the concave structure in which adhesive is filled 24
- the webs that delimit the adhesive area, 16, 9, 6, 14 are the functional areas pump chamber, valve chamber, Flow channels of the pump and valve seat that are free of Have to stay glue.
- 22 is the opening into which the adhesive flows in and 23 is the opening from which excess Adhesive can leak out or into another microstructure can occur.
- Figure 12 shows in detail the cross section through a concave Structure to hold the adhesive between two microstructures. It means 24 the webs that cover the adhesive area of delineate the actual microstructures, 26 and 31 are the locally involved adhesive partners.
- the concave structure is shown in FIG. 12b of the adhesive in areas of great structural height 36, which are primarily serve the adhesive feed, and in areas low structural height, which is adapted to the adhesive exact adjustment of the actual adhesive thickness allowed.
- the gluing process begins with the adjustment of the gluing partners to each other ( Figure 7a) and the subsequent fixing of the joining partners by a tensioning device ( Figure 7b).
- the tension ensures that the webs 24 of a joining partner be pressed onto the second joining partner, creating a closer Contact is guaranteed. This close contact enables the exact adherence to the desired structural distance between the two Joining partner and offers adequate sealing during the actual gluing process.
- the process of adjustment and tensioning happens without the presence of glue, which has the advantage that the problems of adhesive handling do not negatively affect the precision of the bond can.
- Figure 7c Glue into the hollow structures created by joining them together filled.
- the sequence the filling process depends on the fluid dynamic properties of the adhesive used.
- the glue can be applied through a cannula that is tight on the glue inlet is put on, fed.
- the adhesive is with Overpressure is conveyed into the microstructures until it reaches the exit opening exit. Adhesive flow and distribution controlled by the geometry of the cavity system.
- Outlet openings 21 are subjected to negative pressure. This may be necessary especially when designing complex channel systems meet the fluid dynamic requirements not sufficiently precise for even filling could be taken into account. After filling the The adhesive is cured according to its specification.
- the gluing process can be done by a non-adjusted intermediate step expand that for a complete seal below the webs.
- the microstructures, which contain the webs, in the stamp process with a highly viscous, chemically stable layer, which on a flat Substrate with constant thickness was applied in contact brought. It can be z. B. is an industrial fat, which after the gluing with a solvent can be rinsed out without residue. Become the bridges now pressed onto the adhesive partner (see Figure 7b), so seals the applied in the order of the surface roughness Layer the adhesive cavities completely from the adhesive-free Functional areas. Penetration of the glue as a result of the capillary action no longer takes place.
- hot melt adhesives are also conceivable, provided that whose processing temperature does not destroy the joining partners or impaired. This is where the adhesive partners have to be the filling process to the processing temperature of the adhesive to be brought.
- an auxiliary structure 32 is used to form a first structure 28, 26 with a to glue the second structure 31.
- the auxiliary structure 32 provides for a separation of the areas that should contain adhesive from the areas that must remain free of glue and ensures the exact maintenance of a desired distance between the adhesive partners. It can consist of one or more Share exist, it can be inserted discretely or it can have been built on one of the adhesive partners.
- FIG. 2 exemplifies the structure of a Impression tool for the upper housing part of Figure 1.
- One for prepared for use in the plastic impression apparatus, ground and polished semi-finished product from the impression surface Brass was cut with the help of a carbide micro milling cutter (diameter: 300 ⁇ m) structured. It's both the structures included for the valve seats according to claim 2, as well as the Structures for separating the adhesive area from the functional area the micropump according to claim 1.
- Width milling cutter width
- the parameters were used to manufacture the plastic pump body both the vacuum embossing device and the Injection molding machine chosen so that the total thickness of the molded Parts lmm.
- the plastics were used as materials Polysulfone (PSU) (in the injection molding machine) and polyvinyl diflouride (PVDF) (used in the vacuum embossing machine).
- PSU Polysulfone
- PVDF polyvinyl diflouride
- the materials mentioned are characterized by high chemical Resistance, optical transparency and temperature resistance out. An unfavorable material property for pump operation of all plastics is their compared to metals and semiconductors low thermal conductivity.
- the core of the micropump is a polyimide film with direct applied heating coil.
- On the polyimide film was made using thin-film technology an electrically conductive layer applied in the area of the individual pump membranes was structured into heating coils. The contact surfaces for the electrical connection of the heating coils were each outside of the pump membrane.
- the manufacturing process the structured polyimide film and the Heating coils will now take a closer look at the pumps manufactured be explained (see Figure 8).
- As a carrier substrate for the thin film processes was a silicon wafer with a wafer Diameter of 100mm used.
- a polyimide layer 28 was then formed (FIG. 8b) of the photo-structurable polyimide Probimide 408 from CIBA-GEIGY spun to a thickness of 3 ⁇ m with a spin coater and dried in one step. The dried one Paint layer was then in the contact process with UV light 34 exposed.
- the chrome mask 29 used for this an exposure of the areas where a polyimide film obtained should stay and for coverage of the areas that should be extracted during development. Latter are the holes of the valves 15 and different alignment marks. This was followed by the development of the polyimide and a postbake in the Vacuum oven Figure 8c.
- the polyimide was a titanium layer 30 applied by magnetron sputtering in a thickness of 2 ⁇ m., to structure heating coils 15, the one have good adhesion to the polyimide.
- the titanium layer 30 was lithographically through the positive lacquer AZ4210 and through a subsequent etching process in a solution containing hydrofluoric acid structured.
- the exposure of the photoresist used was adjusted using the alignment marks in the polyimide layer and using alignment marks on the mask for structuring made of the titanium layer.
- Figure 8e shows the finished membrane structure located on the auxiliary substrate.
- the sputtering parameters were used in the production of the titanium layer (Temperature, bias voltage, gas flow and the plasma generating electrical power) set so that a internal tension in the titanium.
- the heating coils stood therefore after the titanium layer also under tension.
- After the detachment of the heating coil 4 and polyimide membrane 3 pulled the titanium from the silicon wafer 26, which has a much higher modulus of elasticity than polyimide together with the polyimide film.
- the polyimide film was upset.
- shape of the applied Heating coils were achieved that not only the pump membrane was tension-free but sagging. For the deflection such a slack pump membrane almost needs no energy to be spent.
- Heating coil as a double spiral, this leads to the voltage reduction the heating coil after detaching from the substrate for reduction their length, which according to geometric laws leads to the fact that the inner areas of the polyimide membrane in the Large radial ratio in relation to the elastic material expansions Experience shift towards the center. This shift leads to the curvature of the membrane.
- a curvature of a membrane can also be achieved by using any other structures tangential orientation around the membrane or in the Membrane are attached.
- the structures can be closed or broken circles to closed or interrupted polygons or spirally arranged closed or interrupted traverse lines.
- the heating coil applied directly to the heating coil has two essential advantages. Firstly, the heat transfer to that Pump housing minimized during the heating phase. The second is when using a low-boiling liquid as an actuator medium the recondensation of the actuator medium by the funded Medium introduced at the point of the heating coil. Thereby is achieved at the beginning of the next heating phase the heating coil in optimal thermal contact with the actuator fluid stands.
- the pump housing made of PSU or PVDF a much higher coefficient of thermal expansion than the silicon substrate, the lateral ones were already Dimensions of the adhesive partners matched so that it is only complete after it has been heated to 100 ° C are a perfect fit. At room temperature the structure dimensions are the membrane and the heating coils on the substrate 26 larger than the corresponding dimensions of the pump housing. Cool the adhesive partners again after bonding to room temperature, then the contraction of the plastic Pump housing for compressing the membranes.
- the pumps were operated with an electrical voltage of 15 V and operated at a frequency of 3 Hz.
- the tension was there for each 58 ms applied.
- the average input power was 0.27 W.
- the deflection of the pump membrane was clear 3 recognized to the bottom of the pump chamber 16 with the naked eye be synchronized with the movement of the pump membrane Opening and closing the valve membranes in the microscope be observed.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Reciprocating Pumps (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Mikromembranpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus R. Rapp, W. K. Schomburg, P. Bley, "Konzeption, Entwicklung und Realisierung einer Mikromembranpumpe in LIGA-Technik", KfK-Bericht Nr. 5251, (1993) bekannt ist. Diese Pumpe wird von einem externen pneumatischen Aktor angetrieben und ist in der Lage, gasförmige Medien zu fördern. Die Pumpe hat eine Pumpmembrane aus Titan und Ventile, die aus einer Titan- und einer Polyimidmembran bestehen. Die Pumpmembrane kann bis zum Boden der Pumpkammer ausgelenkt werden und besitzt auf diese Weise ein hohes Kompressionsverhältnis. Für die Auslenkung der Pumpenmembrane wird allerdings ein relativ hoher Druck benötigt, der von einem integrierten Aktor nicht erzeugt werden kann. Außerdem müssen zur Fertigung alle Pumpen einzeln verklebt werden, was einen hohen Aufwand erfordert. Die Herstellung dieser Pumpe erfordert viele nacheinander auszuführende Einzelschritte.The invention relates to a micro diaphragm pump according to the preamble of claim 1, as from R. Rapp, W. K. Schomburg, P. Bley, "Concept, Development and Realization a micromembrane pump using LIGA technology ", KfK report no. 5251, (1993). This pump is from an external pneumatic actuator and is able to to promote gaseous media. The pump has a pump membrane made of titanium and valves consisting of a titanium and a Polyimide membrane exist. The pump membrane can reach the bottom the pump chamber can be deflected and in this way a high compression ratio. For the deflection of the Pump diaphragm, however, becomes a relatively high pressure required that is not generated by an integrated actuator can be. In addition, all pumps must be manufactured individually be glued, which requires a lot of effort. The Manufacturing this pump requires many in a row individual steps to be carried out.
Es sind verschiedene weitere Mikromembranpumpen bekannt, so z.B. zwei unterschiedlich angetriebene Pumpen, welche in H.T.G. van Lintel, F.C.M. van de Pol, "A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon", Sensors and Actuators, 15 1988 153-167 und H.T.G. van Lintel, H.T.G. van Lintel, M. Elwenspoek, J.H.J. Fluitman, "A thermopneumatic pump based on micro-engeneering techniques", Sensors and Actuators, A21-A23 1990, 198-202 beschrieben wurden. Die erste Pumpe besitzt eine Pumpmembrane mit aufgeklebter Piezokeramik, die zweite Pumpe besitzt oberhalb der Pumpmembrane einen thermopneumatischen Antrieb in Form eines bei Wärmezufuhr expandierenden Luftvolumens. Beide Pumpen verfügen über integrierte Einlaß- und Auslaßventile.Various other micromembrane pumps are known e.g. two differently driven pumps, which in H.T.G. van Lintel, F.C.M. van de Pol, "A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon ", sensors and Actuators, 15 1988 153-167 and H.T.G. van Lintel, H.T.G. van Lintel, M. Elwenspoek, J.H.J. Fluitman, "A thermopneumatic pump based on micro-engineering techniques ", sensors and Actuators, A21-A23 1990, 198-202. The first Pump has a pump membrane with glued-on piezoceramic, the second pump has one above the pump membrane thermopneumatic drive in the form of a heat supply expanding air volume. Both pumps have integrated intake and exhaust valves.
Eine weitere Mikropumpe ist in Roland Zengerle, Axel Richter, "Mikropumpen als Komponenten für Mikrosysteme", Physik in unserer Zeit /24. Jahrg.1993/ Nr. 2 beschrieben worden, die ebenfalls über integrierte Ventile verfügt und deren Pumpmembrane durch elektrostatische Kräfte ausgelenkt wird.Another micropump is in Roland Zengerle, Axel Richter, "Micropumps as components for microsystems", physics in our Time / 24. Year 1993 / No. 2, the also has integrated valves and their pump diaphragm is deflected by electrostatic forces.
Die festen und beweglichen Teile der angeführten Mikromembranpumpen,
die den derzeitigen Stand der Technik repräsentieren,
sind im wesentlichen aus den Grundmaterialien Silizium und
Glas gefertigt. Die elastischen Teile der beschriebenen Pumpen,
das sind vor allem die Pump- und Ventilmembranen, werden
dabei mit unterschiedlichen Ätzverfahren dünngeätzt. Die
kleinsten Membrandicken liegen dabei in der Größenordnung von
20 mm. Die Dicke der Membranen und die Materialeigenschaften
von Glas bzw. Silizium liefern bei diesen Pumpen die die Pumpleistung
im wesentlichen einschränkenden Randbedingungen. Es
sind bei relativ großen Membrandurchmessern nur kleine Auslenkungen
möglich. Als Folge lassen sich mit derartigen Pump-membranen
nicht die zur Förderung von Gasen erforderlichen
Kompressionsverhältnisse erreichen. Ferner müssen die Durchmesser
der Ventile sehr groß gewählt werden, um die Flexibilität
der Ventilmambranen und damit den Druckverlust in Durchlaßrichtung
klein zu halten.The fixed and moving parts of the mentioned micro diaphragm pumps,
that represent the current state of the art,
are essentially made of the basic materials silicon and
Made of glass. The elastic parts of the pumps described,
these are primarily the pump and valve membranes
thinly etched using different etching processes. The
smallest membrane thicknesses are of the order of
Die US-A-3 606 592 und die GB-A-2 088 965 zeigen zwar die Möglichkeit über ein in der Membran eingebettetes Gitternetz eine erhöhte Temperatur und somit eine Wärmeerzeugung zu ermögliche, ein oder mehrere miteinander verbundene Hohlraumsysteme sind jedoch nicht vorhanden.US-A-3 606 592 and GB-A-2 088 965 show the possibility via a grid embedded in the membrane to allow increased temperature and thus heat generation, one or more interconnected cavity systems are however not available.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe der e. g. Art so auszugestalten, daß sie mit wenigen Arbeitsgängen bei einer einfachen Bauweise aufgebaut werden kann.The object of the invention is to provide a pump of the e. G. Way of designing that with just a few work steps you can do a simple one Construction can be built.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of patent claim 1 solved.
Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Pumpe. The sub-claims describe advantageous refinements the pump.
Ein besonderer Vorteil der Pumpe besteht darin, daß die gleichzeitige, parallele Fertigung vieler Pumpen mit wenigen Herstellungsschritten mit möglichst wenig Aufwand ermöglicht wird. Der möglichst geringe Herstellungsaufwand bezieht sich dabei sowohl auf die Fertigung der Einzelkomponenten der Pumpe wie Pumpgehäuse, Pumpmembrane und Ventile als auch auf die gleichzeitige und exakte Verklebung vieler Mikrokomponenten in einem Schritt. Des weiteren sind durch Ausgestaltung der Membran im Bereich der Aktorkammer die Druckverluste minimiert.A particular advantage of the pump is that the simultaneous, parallel production of many pumps with few Manufacturing steps made possible with as little effort becomes. The lowest possible manufacturing effort relates doing both on the manufacture of the individual components of the pump such as pump housings, pump diaphragms and valves as well as on the simultaneous and exact bonding of many micro components in one step. Furthermore, by designing the membrane minimized pressure losses in the area of the actuator chamber.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels mit Hilfe der Figuren näher erläutert.The invention is described below using an example Help of the figures explained in more detail.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Pumpe und Fig. 2 ein Formwerkzeug zu deren Herstellung.Fig. 1 shows a schematic cross section through a pump and FIG. 2 shows a molding tool for the production thereof.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen Ventile, wie sie bei der Pumpe verwendet werden.3, 4 and 5 show valves as used in the pump will.
Die Fig. 6, 7 und 9 bis 12 erläutern die Klebetechnik zur Herstellung der Pumpe und die Fig. 8 zeigt beispielhaft die Herstellung einer Membran mit Heizwendel.6, 7 and 9 to 12 explain the adhesive technology for production the pump and Fig. 8 shows an example of the manufacture a membrane with a heating coil.
Aufbau der Mikropumpe, Benennung der KomponentenStructure of the micropump, naming of the components
Die Figur 1 zeigt schematisch den Grundaufbau der Mikropumpe.
Eine Polyimid-Membrane 3 mit einer Dicke von 2 mm ist auf ihrer
Oberseite mit dem Pumpgehäuse-Oberteil 1 und auf ihrer Unterseite
mit dem Pumpgehäuse-Unterteil 2 verklebt. Die Pumpgehäuse
enthalten die nichtbeweglichen Funktionskomponenten der
Pumpe. Diese sind im Pumpgehäuse-Oberteil 1 die Aktorkammer
17, verschiedene Strömungskanäle 6, die Ventilkammer 8 und der
Ventilsitz des Einlaßventils 10, die Ventilkammer des Auslaßventils
13, Fluid-Einlaß 5, Fluid-Auslaß 7, ein zusammenhängendes
Hohlraumsystem 19 zur Befüllung mit Klebstoff, sowie
Einfüllöffnungen 20 und Austrittsöffnungen für die Befüllung
mit Klebstoff. Ferner nicht abgebildet sind Öffnungen für die
elektrische Kontaktierung der Pumpe vorhanden. Die Funktionskomponenten
sind im Pumpgehäuse-Unterteil die Pumpkammer 16,
die Strömungskanäle 6 zwischen Ventilen und Pumpkammer, die
Ventilkammer des Einlaßventils 9, der Ventilsitz des Auslaßventils
14, ein Hohlraumsystem 18 zur Befüllung mit Klebstoff,
Klebstoffeinlaß 22 und Klebstoffauslaß 23. Die Hohlräume 18,19
für den Befüllvorgang und die Hohlräume 6, 8, 9, 12, 13, 16,
17 sind voneinander durch Stege 24 abgegrenzt, mit deren Hilfe
die lateralen Strukturen gebildet und die Strukturhöhe genau
definiert werden. Die Polyimid-Membran 3 zeichnet sich durch
eine hohe Elastizität aus und bildet im Bereich der Aktorkammer
17 die Pump-Membrane. Im Bereich des Einlaßventils 8, 9,
10 und des Auslaßventils 12,13,14 befindet sich jeweils ein
Loch 11 und 15 in der Polyimid-Membran 3. Die Ventilwirkung
entsteht dadurch, daß das Loch in der Membran durch den planen
Ventilsitz verschlossen wird, sofern ein Überdruck auf der dem
Ventilsitz gegenüberliegenden Seite herrscht, bzw. daß die
Membran bei umgekehrt anliegendem Überdruck derart vom Ventilsitz
abhebt, daß das Loch in der Membran freigegeben wird und
ein Durchfluß entsteht. Der Antrieb der Mikromembranpumpe erfolgt
durch die thermische Ausdehnung eines Fluids, welches
sich in der Aktorkammer 17 befindet und durch eine auf die Polyimidmembran
aufgebrachte metallische Heizwendel 4 erwärmt
wird.Figure 1 shows schematically the basic structure of the micropump.
A
Die Funktionsweise der Mikropumpe :
Ein kurzer Strompuls wird auf die Heizwendel 4 gegeben. Diese
erwärmt sich und gibt Wärme sowohl an das Medium in der Aktorkammer
17 als auch an das Medium in der Pumpkammer ab. Befinden
sich in der Aktorkammer 17 und Pumpkammer 16 gasförmige
Medien, so lenkt die aus der Erwärmung resultierende
Druckerhöhung des Aktorgases die Pumpmembrane aus. Die Auslenkung
der Pumpmembrane 3 verringert das Volumen der Pumpkammer
16 und führt zusammen mit der gleichzeitigen Erwärmung des
Pumpgases zu einem Druckanstieg in der Pumpkammer 16. Durch
die Verwendung eines flüssigen, bei niedriger Temperatur siedenden
Mediums in der Aktorkammer 17 wird die Ausdehnung des
Mediums durch dessen Verdampfung erreicht, wodurch sich sehr
hohe Aktordrücke erzeugen lassen. Die Folge der Druckerhöhung
in der Aktorkammer 17 ist hier wieder die Auslenkung der PumpMembran
3 in Richtung der Pumpkammer 16. In beiden Fällen
setzt sich die resultierende Druckerhöhung des zu pumpenden
Fluids über die Strömungskanäle zu den Ventilen hin fort und
führt dazu, daß sich die Membran im Bereich des Einlaßventils
11 an dessen Ventilsitz 10 anlegt und das Ventil verschließt,
während die Membran im Bereich des Auslaßventils 15 vom Ventilsitz
14 abhebt und die Öffnung in der Ventilmembran freigibt.
Das Pumpmedium wird ausgeschoben.How the micropump works:
A short current pulse is applied to the
Pressure increase of the actuator gas from the pump membrane. The deflection of the
Nach dem Ende des Strompulses beginnt die Abkühlung des Mediums
in der Aktorkammer 17 durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung.
Im Fall des gasförmigen Mediums in der Aktorkammer
verringern sich Druck und Volumen im Innern der Aktorkammer
gemäß den Gasgesetzen, im Fall der verdampften Flüssigkeit
führt Kondensation wieder zum Ausgangszustand zurück. Die
Pumpenmembrane bewegt sich wieder in ihre Ausgangslage zurück
und erzeugt so als Folge des zuvor ausgeschobenen Pumpmediums
einen Unterdruck in der Pumpkammer 16 und an den Ventilen.
Entsprechend der oben beschriebenen Ventilfunktion schließt
nun das Auslaßventil, während das Einlaßventil öffnet und
Pumpmedium in die Pumpkammer einläßt. Diese Vorgänge wiederholen
sich mit jedem Pumpzyklus.After the end of the current pulse, the cooling of the medium begins
in the
Die direkt auf die Pumpmembrane aufgebrachte Heizwendel hat neben des daraus resultierenden einfachen Herstellungsverfahrens weitere wesentliche Vorteile. Zum einen ist der Wärmeübergang auf das Pumpengehäuse in der Aufheizphase minimiert. Zum zweiten wird bei Verwendung einer niedrig siedenden Flüssigkeit als Aktormedium die Rekondensation des Aktormediums durch das geförderte Medium an der Stelle der Heizwendel eingeleitet. Dadurch wird erreicht, daß am Beginn der nächsten Aufheizphase die Heizwendel in optimalem Wärmekontakt mit der Aktorflüssigkeit steht.The heating coil attached directly to the pump membrane has in addition to the resulting simple manufacturing process other significant advantages. On the one hand is the heat transfer minimized on the pump housing in the heating phase. The second is when using a low boiling liquid the recondensation of the actuator medium as the actuator medium initiated by the pumped medium at the location of the heating coil. This ensures that at the beginning of the next Heating phase the heating coil in optimal thermal contact with the Actuator liquid is standing.
Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ventils. Die
Ventile sind dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer flexiblen,
freigespannten Membrane 3 bestehen, welche im zentralen
Bereich eine mikrostrukturierte Öffnung 11 besitzt. Der Umriß
der Ventilöffnung 11 und der Membraneinspannung 25 kann, wie
in Figur 4 beispielhaft gezeigt, rund, oval oder durch einen
Polygonzug beschreibbar sein. Figur 3 erleutert den grundsätzlchen
Aufbau eines Ventils, wie es in den hergestellten
Pumpen implementiert ist. Auf einer Seite der Membran befindet
sich ein ebener, fester Ventilsitz 10, der die Öffnung der
Ventilmembrane um mindestens die Breite der erforderlichen
Dichtfläche zwischen Membran und Ventilsitz überdeckt. Der
Ventilsitz ist Teil eines der beiden Pumpenkörper, die mit der
Membran verbunden sind. Die Dichtigkeit der Ventile in Sperrrichtung
wird durch das Maß der Überdeckung, die Oberflächen-rauhigkeit
von Ventilmembran und Ventilsitz und wesentlich
durch die Flexibilität der Ventilmembran bestimmt. Durch eine
sehr dünne Polyimid-Membran kann auch unter unsauberen Bedingungen
die Dichtwirkung beibehalten werden, da sie in der Lage
ist, sich um kleine Schmutzpartikel herum anzuschmiegen.Figure 3 shows an embodiment of a valve. The
Valves are characterized in that they consist of a flexible,
free spanned
Durch die Höhe der Ventilsitze läßt sich das Öffnungs- und Schließverhalten der Ventile vorgeben, siehe Figur 5. Figur 5a zeigt die Verhältnisse des ausgeführten Beispiels. Membraneinspannung und Ventilsitz befinden sich in einer Ebene. Figur 5b zeigt das Ausführungsbeispiel eines hohen Ventilsitzes, der im lastfreien Zustand die Membrane nach oben wölbt. Hier ist zum Öffnen des Ventils bereits eine erhebliche Druckdifferenz notwendig, das Ventil bleibt bis zum Erreichen dieser Druckdifferenz in Durchlaßrichtung geschlossen. Der Druckabfall bei gegebenem Durchfluß und daduch der Leistungsabfall ist höher als in Figur 5a. Es verringert sich jedoch der Rückfluß bei Lastwechseln durch das kleinere Schlagvolumen und durch die geringere Nachgiebigkeit der freien, stärker gespannten Membrane. Diese Konfiguration ist dann von Vorteil, wenn kleine Volumenströme unter großen Druckdifferenzen gleichgerichtet werden sollen oder wenn die Lastwechselfrequenzen hoch sind. In Figur 5c erreicht die Höhe des Ventilsitzes nicht die Ebene der Membraneinspannung, die Membran ist im lastfreien Fall auf ihrer ganzen Fläche frei gespannt. Das Ventil besitzt in Durchlaßrichtung einen geringeren Strömungswiderstand als im Fall a, schließt in Sperrrichtung jedoch erst nach Erreichen eines Sperrdruckes. Diese Auslegung von Ventilsitz und Membran ist dann von Vorteil, wenn große Volumenströme unter kleinen Druckdifferenzen gleichgerichtet werden sollen.Due to the height of the valve seats, the opening and Specify the closing behavior of the valves, see Figure 5. Figure 5a shows the relationships of the executed example. Membrane clamping and valve seat are on one level. Figure 5b shows the embodiment of a high valve seat, which in no-load condition the membrane bulges upwards. Here is for Opening the valve requires a considerable pressure difference the valve remains until this pressure difference is reached closed in the forward direction. The pressure drop at a given Flow and therefore the drop in performance is higher than in Figure 5a. However, the reflux decreases Load changes through the smaller stroke volume and through the less flexibility of the free, more tense Membrane. This configuration is advantageous if Small volume flows rectified under large pressure differences should be or if the load change frequencies are high are. In Figure 5c the height of the valve seat does not reach that Level of membrane clamping, the membrane is in the no load Case freely stretched over its entire surface. The valve has in the forward direction a lower flow resistance than in case a, closes in the blocking direction only after reaching a barrier pressure. This interpretation of valve seat and Membrane is advantageous when large volume flows are below small pressure differences should be rectified.
Werden die Einzelteile oberes Pumpgehäuse, Membrane und unteres Pumpgehäuse in konventioneller Weise verklebt, d. h. wird auf die Einzelteile Kleber mit Techniken wie Dispensen, Siebdruck oder Tampondruck aufgetragen, dann entsteht eine Klebstoffschicht, deren Dicke mit ca. 10 µm bereits mit der Größenordnung der Mikrostrukturen selbst vergleichbar sein kann. Hohe Toleranzen der Klebefugendicke sind dabei nicht zu vermeiden, was vor allem negative Auswirkungen auf die Funktion der Mikroventile hat, da der gewünschte Abstand zwischen Ventilmembrane und Ventilsitz nicht exakt eingehalten werden kann. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Klebetechniken ist die zusätzliche Positionierung der lateralen Verteilung des Klebstoffs zu den Mikrostrukturen, da verschiedene Bereiche, so z. B. die Ventilsitze und Kanalstrukturen, nicht mit Klebstoff benetzt werden dürfen. Ist schließlich der Klebstoff aufgebracht, dann stellt die exakte Positionierung der Klebepartner zueinander und das anschließende verschmierungsfreie Zusammenfügen sehr hohe Anforderungen an die Handhabung der Proben. Es sind also zwei positionierte Arbeitsgänge notwendig.Are the individual parts of the upper pump housing, membrane and lower Pump housing glued in a conventional manner, d. H. glue is applied to the individual parts using techniques such as dispensing, Screen printing or pad printing applied, then one is created Adhesive layer, the thickness of about 10 microns with the Order of magnitude of the microstructures themselves can be compared can. High tolerances of the adhesive joint thickness are not too avoid what mainly negatively affects the function of the microvalves because the desired distance between Valve membrane and valve seat are not adhered to exactly can. Another disadvantage of conventional gluing techniques is the additional positioning of the lateral distribution of the Adhesive to the microstructures because different areas so z. B. the valve seats and channel structures, not with adhesive may be wetted. Finally, is the glue applied, then the exact positioning of the adhesive partners to each other and the subsequent smear-free Put together very high handling requirements Rehearse. So two positioned operations are necessary.
Die in Anspruch 5 genannte Klebetechnik übergeht all diese
Nachteile und ist durch ihre Einfachheit und durch die geringe
Anzahl der Arbeitsschritte für die parallele Verklebung von
Mikrostrukturen hervorragend geeignet. Dabei werden bereits im
Design der Mikrostrukturen die Voraussetzungen für das erfolgreiche
Verkleben geschaffen. Der Grundgedanke ist, daß
sich auf einem Substrat, welches eine große Anzahl von Mikrostrukturen
enthalten kann, konkave Strukturen um die Mikrostrukturen
herum befinden, die zusammenhängend oder teilzusammenhängend
sein können und von den funktionellen Bereichen
der Mikrostrukturen durch Stege konstanter Höhe getrennt
sind. Die konkaven Strukturen haben die Aufgabe, im eigentlichen
Klebeschritt den Klebstoff aufzunehmen, so daß sich nach
der Verklebung der Klebstoff, durch die Stege getrennt, rund
um die Mikrostrukturen herum befindet. Der Klebstoff übernimmt
die Funktion der mechanischen Verknüpfung der Fügepartner,der
Abdichtung einzelner Mikrostrukturen und der Fügepartner untereinander
und trägt durch innere Relaxationsvorgänge zum Abbau
von Eigenspannungen, die z. B. durch Temperaturwechsel
zwischen den Klebepartnern entstehen, bei. Die Stege haben die
Aufgabe, durch ihre Höhe eine exakt reproduzierbare Referenzhöhe
für die Einstellung der Klebefugendicke vorzugeben und
ein Hineinfließen des Klebstoffs in die Mikrostrukturen während
des Klebevorgangs zu vermeiden.The adhesive technology mentioned in
Figur 6 erläutert die Verhältnisse anhand einer Aufsicht des Gehäuseunterteils der Mikropumpen, wie sie hergestellt wurden. Dabei bedeuten 18 die konkave Struktur, in die Klebstoff eingefüllt wird, 24 die Stege, die den Klebebereich abgrenzen, 16, 9, 6, 14 sind die Funktionsbereiche Pumpkammer, Ventilkammer, Strömungskanäle der Pumpe und Ventilsitz, die frei von Klebstoff bleiben müssen. 22 ist die Öffnung, in die der Klebstoff einfließt und 23 ist die Öffnung, aus der überschüssiger Klebstoff wieder austreten kann oder in eine weitere Mikrostruktur eintreten kann.FIG. 6 explains the conditions on the basis of a supervision of the Lower part of the housing of the micropumps as they were manufactured. 18 means the concave structure in which adhesive is filled 24, the webs that delimit the adhesive area, 16, 9, 6, 14 are the functional areas pump chamber, valve chamber, Flow channels of the pump and valve seat that are free of Have to stay glue. 22 is the opening into which the adhesive flows in and 23 is the opening from which excess Adhesive can leak out or into another microstructure can occur.
Figur 12 zeigt als Detail den Querschnitt durch eine konkave
Struktur zur Aufnahme des Klebstoffs zischen zwei Mikrostrukturen.
Es bedeuten 24 die Stege, die den Klebstoffbereich von
den eigentlichen Mikrostrukturen abgrenzen, 26 und 31 sind die
lokal beteiligten Klebepartner. Figur 12a zeigt den Fall, daß
die Klebeschichtdicke der Höhe der Stege (=Referenzhöhe) entspricht.
In Figur 12b ist die konkave Struktur zur Aufnahme
des Klebstoffs in Bereiche großer Strukturhöhe 36, welche vornehmlich
der Klebstoffbeschickung dienen, und in Bereiche
niedriger Strukturhöhe, welche eine an den Klebstoff angepaßte
exakte Einstellung der tatsächlichen Klebstoffdicke erlaubt. Figure 12 shows in detail the cross section through a concave
Structure to hold the adhesive between two microstructures.
It means 24 the webs that cover the adhesive area of
delineate the actual microstructures, 26 and 31 are the
locally involved adhesive partners. Figure 12a shows the case that
the adhesive layer thickness corresponds to the height of the webs (= reference height).
The concave structure is shown in FIG. 12b
of the adhesive in areas of great
Der Klebevorgang beginnt mit der Justierung der Klebepartner
zueinander (Figur 7a) und dem anschließenden Fixieren der Fügepartner
durch eine Verspannvorrichtung (Figur 7b). Die Verspannung
sorgt dafür, daß die Stege 24 des einen Fügepartners
auf den zweiten Fügepartner gepreßt werden, wodurch ein enger
Kontakt gewährleistet ist. Dieser enge Kontakt ermöglicht die
exakte Einhaltung des gewünschten Strukturabstandes der beiden
Fügepartner und bietet eine hinreichende Abdichtung während
des eigentlichen Klebeprozesses. Der Vorgang des Justierens
und Verspannens geschieht ohne die Anwesenheit von Klebstoff,
was den Vorteil hat, daß sich die Probleme das Klebstoff-Handling
nicht negativ auf die Präzision der Verklebung auswirken
können. Im eigentlichen Klebe-Schritt (Figur 7c) wird der
Klebstoff in die durch das Zusammenfügen entstanden Hohlstrukturen
eingefüllt. Dabei können entweder Mikrostrukturen, welche
einen Kleberein- 20 und -auslaß 21 besitzen, einzeln befüllt
werden (siehe Figur 6), oder eine große Anzahl von Mikrostrukturen,
die über entsprechend vorbereitete Hohlräume
verfügen, über ein Kanalsystem befüllt werden (siehe Figur 9),
oder es kann eine Anzahl von Mikrostrukturen über ein komplettes
Hohlraumsystem befüllt werden (siehe Figur 10). Der Ablauf
des Befüllvorgangs hängt von den fluid-dynamischen Eigenschaften
des verwendeten Klebstoffs ab. Zur Steuerung der Befüllung
kann der Klebstoff über eine Kanüle, die dicht auf den Klebereinlaß
aufgesetzt wird, zugeführt werden. Je nach Viskosität
und Benetzungsfähigkeit des Klebstoffs, sowie der gewünschten
Einfließgeschwindigkeit, wird der Klebstoff mit
Überdruck in die Mikrostrukturen gefördert, bis er an der Austrittsöffnung
austritt. Klebstoff-Fluß und -Verteilung werden
dabei durch die Geometrie des Hohlraumsystems gesteuert. Eine
weitere Steuerung des Fließprozesses läßt sich erreichen, indem
Austrittsöffnungen 21 mit Unterdruck beaufschlagt werden.
Dies kann vor allem dann notwendig sein, wenn bei der Konstruktion
komplexer Kanalsysteme die fluiddynamischen Voraussetzungen
für ein gleichmäßiges Befüllen nicht hinreichend genau
berücksichtigt werden konnten. Nach dem Befüllen wird die
Aushärtung des Klebstoffs nach dessen Spezifikation vorgenommen.The gluing process begins with the adjustment of the gluing partners
to each other (Figure 7a) and the subsequent fixing of the joining partners
by a tensioning device (Figure 7b). The tension
ensures that the
Geeignet für diese Technologie sind alle Klebstoffe zufriedenstellender Adhäsion, die sich in die Mikrokanäle und Mikrohohlräume mit vertretbaren Drücken hineinbefördern lassen. Eine besondere Bedeutung kommt der Oberflächenspannung des Klebstoffes und dem daraus resultierenden Kapillarverhalten im Zusammenspiel mit den Fügepartnern zu. Hochbenetzende Klebstoffe haben die Eigenschaft, in kleinste Spalten einzudringen. Dies kann dazu führen, daß Klebstoff, der wie beschrieben in die Klebeteile eingeführt wird, durch Rauhigkeiten im Nanometer-Bereich unter die auf den Klebepartner gepreßten Stege kriecht, was u. U. für die Funktion des Mikrobauteils unerwünscht sein kann. Im allgemeinen führt dieser Effekt nicht zu einer Störung der Funktion des Mikrobauteils, sofern der Klebstoff nicht über die Kante der Stege, die den Klebehohlräumen abgewandt sind, hinüberfließt und die Mikrostrukturen benetzt, die frei von Klebstoff bleiben sollen. Soll ein Hineinfließen des Klebstoffs unter die Stege vollständig unterbunden werden, so läßt sich der Klebeprozeß durch einen nicht-justierten Zwischenschritt erweitern, der für eine vollständige Abdichtung unterhalb der Stege sorgt. Dazu werden die Mikrostrukturen, die die Stege enthalten, im Stempelverfahren mit einer hochviskosen, chemisch stabilen Schicht, welche auf einem ebenen Substrat mit konstanter Dicke aufgetragen wurde, in Kontakt gebracht. Es kann sich hier z. B. um ein Industriefett handeln, welches sich nach der Verklebung mit einem Lösungsmittel wieder rückstandsfrei herausspülen läßt. Werden die Stege nun auf den Klebepartner aufgepreßt (siehe Figur 7b), so dichtet die in der Größenordnung der Oberflächen-Rauhigkeit aufgebrachte Schicht die Klebe-Hohlräume vollständig von den Kleber-freien Funktionsbereichen ab. Ein Eindringen des Klebers als Folge der Kapillarwirkung findet nicht mehr statt.Suitable for this technology, all adhesives are more satisfactory Adhesion that occurs in the microchannels and microvoids Have them transported in with reasonable pressures. The surface tension of the Adhesive and the resulting capillary behavior in the Interaction with the joining partners. Highly wetting adhesives have the property of penetrating the smallest gaps. This can cause adhesive to work as described into the adhesive parts due to roughness in the nanometer range under the webs pressed onto the adhesive partner creeps what u. U. undesirable for the function of the micro component can be. In general, this effect does not lead to a malfunction of the microcomponent, provided the adhesive not over the edge of the webs that define the adhesive cavities are turned away, flows over and wets the microstructures, which should remain free of glue. Should flow into it of the adhesive under the webs are completely prevented, so the gluing process can be done by a non-adjusted intermediate step expand that for a complete seal below the webs. To do this, the microstructures, which contain the webs, in the stamp process with a highly viscous, chemically stable layer, which on a flat Substrate with constant thickness was applied in contact brought. It can be z. B. is an industrial fat, which after the gluing with a solvent can be rinsed out without residue. Become the bridges now pressed onto the adhesive partner (see Figure 7b), so seals the applied in the order of the surface roughness Layer the adhesive cavities completely from the adhesive-free Functional areas. Penetration of the glue as a result of the capillary action no longer takes place.
Es ist ferner die Verwendung von Schmelzklebern denkbar, sofern dessen Verarbeitungstemperatur die Fügepartner nicht zerstört oder beeinträchtigt. Hier müssen die Klebepartner vor dem Befüllvorgang auf die Verarbeitungstemperatur des Klebstoffs gebracht werden.The use of hot melt adhesives is also conceivable, provided that whose processing temperature does not destroy the joining partners or impaired. This is where the adhesive partners have to be the filling process to the processing temperature of the adhesive to be brought.
Es ist auch möglich, daß mehr als zwei Klebepartner an einer
Verklebung beteiligt sind. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn
wie in Figur 11 an einem Beispiel gezeigt, eine Hilfsstruktur
32 verwendet wird, um eine erste Struktur 28, 26 mit einer
zweiten Struktur 31 zu verkleben. Die Hilfsstruktur 32 sorgt
für eine Trennung der Bereiche, die Klebstoff enthalten sollen
von den Bereichen, die frei von Klebstoff bleiben müssen und
sorgt für die exakte Einhaltung eines gewünschten Abstandes
zwischen den Klebepartnern. Sie kann aus einem oder mehreren
Teilen bestehen, sie kann diskret eingelegt werden oder sie
kann auf einem der Klebepartner aufgebaut worden sein.It is also possible that more than two adhesive partners on one
Bonding are involved. This is e.g. B. the case when
as shown in Figure 11 using an example, an
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Herstellung der
Einzelkomponenten der Mikropumpe beschrieben:
Jede der drei Einzelkomponenten Pumpgehäuse-Oberteil 1, Pump-membrane
3 mit aufgebrachter Metallstruktur 4, Pumpgehäuse-Unterteil
2 in Figur 1 der Mikropumpe wurde unabhängig hergestellt.
Die Einzelkomponenten können somit vor dem Zusammensetzen
geprüft werden.The manufacture of the individual components of the micropump is described using an exemplary embodiment:
Each of the three individual components pump housing upper part 1, pump
Oberer 1 und unterer Pumpkörper 2 wurden mit Hilfe eines mikrostrukturierten
Abformwerkzeuges durch Methoden der Kunststoffverarbeitung
Spritzgießen und Vakuumprägen hergestellt.
Die Figur 2 veranschaulicht beispielhaft die Struktur eines
Abformwerkzeuges für das Gehäuse-Oberteil von Figur 1. Ein für
den Einsatz in die Kunststoff-Abformapparatur vorbereitetes,
an der Abformfläche geschliffenes und poliertes Halbzeug aus
Messing wurde mit Hilfe eines Hartmetall-Mikrofräsers (Durchmesser:
300 µm) strukturiert. Es sind sowohl die Strukturen
für die Ventilsitze nach Anspruch 2 enthalten, als auch die
Strukturen zur Separierung des Klebstoffbereichs vom Funktionsbereich
der Mikropumpe nach Anspruch 1. Die Formeinsätze
konnten dadurch, daß die Pumpengehäuse nur aus Stegen konstanter
Breite (=Fräserbreite) und wenigen Ventilsitzen bestehen
mit geringer Maschinenzeit in Form von Nuten einfacher Geometrie
gefräst werden. Auf einem ersten Abformwerkzeug befanden
sich die Strukturen für zwölf Pumpen-Oberteile 1, auf einem
zweiten Formeinsatz die Strukturen für zwölf Pumpen-UnterteileUpper 1 and
Zur Herstellung der Kunststoff-Pumpenkörper wurden die Parameter sowohl der Vakuum-Prägevorrichtung als auch der Spritzgießmaschine so gewählt, daß die Gesamtstärke der abgeformten Teile lmm betrug. Als Materialien wurden die Kunststoffe Polysulfon (PSU) (in der Spritzgießmaschine) und Polyvenyldiflourid (PVDF) (in der Vakuum-Prägemaschine) verwendet. Die genannten Materialien zeichnen sich durch hohe chemische Beständigkeit, optische Transparenz und Temperaturfestigkeit aus. Eine für den Pumpbetrieb ungünstige Materialeigenschaft aller Kunststoffe ist deren im Vergleich zu Metallen und Halbleitern geringe Wärmeleitfähigkeit. Die Konsequenz der Verwendung von Kunststoff-Pumpgehäusen ist, daß die beim Betrieb der Pumpe abgeführte Wärmeleistung in Relation zu Pumpgehäusen aus Metall gleicher Dicke klein ist und die Pumpe als Folge nur mit kleiner Leistung betrieben werden darf, um eine Überhitzung zu vermeiden. Der Nachteil kann übergangen werden, indem die Gesamtdicke der Pumpgehäuse sehr klein gewählt wird und ein intensiver Wärmekontakt zu einem Grundsubstrat hoher Wärmeleitfähigkeit evtl. Kühlkörper hergestellt wird. Eine Verringerung der Schichtdicke kann durch die Wahl der Abformparameter, durch eine Nachbearbeitung mit Hilfe einer Ultrafräse oder durch einen Plasma-Ätzschritt vorgenommen werden. Die Bohrungen für Fluideingang und -ausgang (5, 7 in Figur 1), Klebstoff-Zuführung und Entlüftung (20, 21, 22, 23 in Figur 1), sowie die Löcher zur elektrischen Durchkontaktierung wurden noch nicht im Design der Formeinsätze berücksichtigt, sondern nachträglich mit Spiralbohrern der Durchmesser 0.45 mm und 0.65 mm gebohrt. The parameters were used to manufacture the plastic pump body both the vacuum embossing device and the Injection molding machine chosen so that the total thickness of the molded Parts lmm. The plastics were used as materials Polysulfone (PSU) (in the injection molding machine) and polyvinyl diflouride (PVDF) (used in the vacuum embossing machine). The materials mentioned are characterized by high chemical Resistance, optical transparency and temperature resistance out. An unfavorable material property for pump operation of all plastics is their compared to metals and semiconductors low thermal conductivity. The consequence of the use of plastic pump housings is that when operating the Pump dissipated heat output in relation to pump housings Metal of the same thickness is small and the pump as a result only may be operated at low power to prevent overheating to avoid. The disadvantage can be overcome by the total thickness of the pump housing is chosen to be very small and an intensive thermal contact with a basic substrate with high thermal conductivity possibly heatsink is produced. A decrease the layer thickness can be selected by choosing the impression parameters, by post-processing with the help of an ultra-milling machine or be carried out by a plasma etching step. The Bores for fluid inlet and outlet (5, 7 in FIG. 1), Adhesive feed and ventilation (20, 21, 22, 23 in Fig 1), as well as the holes for electrical through-plating not yet considered in the design of the mold inserts, but subsequently with twist drills with a diameter of 0.45 mm and drilled 0.65 mm.
Kernstück der Mikropumpe ist eine Polyimid-Folie mit direkt
aufgebrachter Heizwendel. Die Polyimid-Folie, die für eine
große Anzahl von Einzelpumpen mit einer einzigen Maske lithographisch
strukturiert wird, übernimmt sowohl die Aufgabe der
einzelnen Pump-Membranen als auch der Ventil-Membranen. Auf
die Polyimid-Folie wurde mit Verfahren der Dünnschichttechnik
eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht, die im Bereich
der einzelnen Pumpmembranen zu Heizwendeln strukturiert wurde.
Die Kontaktflächen für den elektrischen Anschluß der Heizwendeln
lagen dabei jeweils außerhalb der Pumpmembrane. Der Herstellungsprozess
der strukturierten Polyimid-Folie und der
Heizwendeln soll nun am Beispiel der hergestellten Pumpen näher
erleutert werden (siehe Figur 8). Als Trägersubstrat für
die Dünnfilm-Prozesse wurde eine Siliziumscheibe Wafer mit einem
Durchmesser von 100mm verwendet. Da die Folie nach der ersten
Verklebung vom Wafer getrennt werden muß, wurde eine
dünne Gold-Trennschicht 27 auf den Wafer aufgesputtert Figur
8a. Ein Rand 33 von 5 mm wurde dabei während des Sputterprozesses
rund um den Wafer herum abgedeckt, um dort die Haftung
des Polyimid zum Silizium-Substrat beizubehalten und dadurch
ein vorzeitiges Ablösen der Polyimid-Folie vom Wafer zu verhindern.
Anschießend (Figur 8b) wurde eine Polyimid-Schicht 28
des fotostrukturierbaren Polyimides Probimide 408 von CIBA-GEIGY
mit einer Lackschleuder auf eine Dicke von 3 µm aufgeschleudert
und in einem Temperschritt getrocknet. Die getrocknete
Lackschicht wurde anschließend im Kontaktverfahren mit
UV-Licht 34 belichtet. Da das verwendete Polyimid ein Negativlack
ist, sorgte die dazu verwendete Chrom-Maske 29 für
eine Belichtung der Bereiche, in denen eine Polyimid-Folie erhalten
bleiben sollte, und für eine Abdeckung der Bereiche,
die bei der Entwicklung herausgelöst werden sollten. Letztere
sind die Löcher der Ventile 15 und verschiedene Justiermarken.
Es folgte die Entwicklung des Polyimides und ein Postbake im
Vakuumofen Figur 8c. The core of the micropump is a polyimide film with direct
applied heating coil. The polyimide film that is used for a
large number of single pumps with a single mask lithographically
is structured, takes on both the task of
individual pump membranes as well as the valve membranes. On
the polyimide film was made using thin-film technology
an electrically conductive layer applied in the area
of the individual pump membranes was structured into heating coils.
The contact surfaces for the electrical connection of the heating coils
were each outside of the pump membrane. The manufacturing process
the structured polyimide film and the
Heating coils will now take a closer look at the pumps manufactured
be explained (see Figure 8). As a carrier substrate for
the thin film processes was a silicon wafer with a wafer
Diameter of 100mm used. Since the slide after the first
Bonding has to be separated from the wafer
thin
Nach der Strukturierung des Polyimids wurde eine Titan-Schicht
30 durch Magnetronzerstäubung in einer Dicke von 2 µm aufgebracht.,
um daraus Heizwendeln 15 zu strukturieren, die eine
gute Haftung zum Polyimid besitzen. Die Titan-Schicht 30 wurde
lithographisch durch den Positivlack AZ4210 und durch einen
anschließenden Ätzprozeß in einer flußsäurehaltigen Lösung
strukturiert. Die Belichtung des verwendeteten Photolacks
wurde dabei justiert anhand der Justiermarken in der Polyimid-Schicht
und anhand von Justiermarken auf der Maske zur Strukturierung
der Titan-Schicht vorgenommen. Figur 8e zeigt den
auf dem Hilfssubstrat befindlichen fertigen Membranaufbau.After structuring the polyimide was a
Bei der Herstellung der Titanschicht wurden die Sputterparameter
(Temperatur, Biasspannung, Gasfluß und die das Plasma erzeugende
elektrische Leistung) so eingestellt, daß sich eine
innnere Zugspannung im Titan ausbildete. Die Heizwendeln standen
deshalb nach der Titanschicht ebenfalls unter Zugspannung.
Nach der Ablösung des Verbundes von Heizwendeln 4 und Polyimidmembran
3 von der Siliziumscheibe 26 zog sich das Titan,
welches einen sehr viel höheren Elastizitätsmodul als Polyimid
hat, mitsamt der Polyimid-Folie zusammen. Die Polyimid-Folie
wurde dabei gestaucht. Durch die Formgebung der aufgebrachten
Heizwendeln wurde erreicht, daß die Pumpenmembran nicht nur
zugspannungsfrei war, sondern schlaff durchhing. Für die Auslenkung
einer solchen schlaffen Pumpenmembran braucht fast
keine Energie aufgewendet zu werden. Gestaltet man die
Heizwendel als Doppelspirale, so führt die Spannungreduzierung
der Heizspirale nach dem Loslösen vom Substrat zur Reduzierung
ihrer Länge, was nach geometrischen Gesetzen dazu führt, daß
die innnen gelegenen Bereiche der Polyimid-Membrane eine im
Verhältnis zu den elastischen Materialdehnungen große radiale
Verschiebung zum Zentrum hin erfahren. Diese Verschiebung
führt zur Wölbung der Membrane. Eine Wölbung einer Membrane
läßt sich auch erreichen, indem beliebige andere Strukturen
tangentialer Orientierung um die Membran herum oder in der
Membran angebracht sind. Bei den Strukturen kann es sich um
geschlossene oder unterbrochene Kreise, um geschlossene oder
unterbrochene Polygonzüge oder spiralförmig angeordnete geschlossene
oder unterbrochene Polygonzüge handeln.The sputtering parameters were used in the production of the titanium layer
(Temperature, bias voltage, gas flow and the plasma generating
electrical power) set so that a
internal tension in the titanium. The heating coils stood
therefore after the titanium layer also under tension.
After the detachment of the
Die direkt auf die Heizwendel aufgebrachte Heizwendel hat zwei wesentliche Vorteile. Zum einen ist der Wärmeübergang auf das Pumpengehäuse in der Aufheizphase minimiert. Zum zweiten wird bei Verwendung einer niedrig siedenden Flüssigkeit als Aktormedium die Rekondensation des Aktormediums durch das geförderte Medium an der Stelle der Heizwendel eingeleitet. Dadurch wird erreicht, daß am Beginn der nächsten Aufheizphase die Heizwendel in optimalem Wärmekontakt mit der Aktorflüssigkeit steht.The heating coil applied directly to the heating coil has two essential advantages. Firstly, the heat transfer to that Pump housing minimized during the heating phase. The second is when using a low-boiling liquid as an actuator medium the recondensation of the actuator medium by the funded Medium introduced at the point of the heating coil. Thereby is achieved at the beginning of the next heating phase the heating coil in optimal thermal contact with the actuator fluid stands.
Anstelle von Polyimid als Membranmaterial können auch andere Kunststoffe oder Metalle verwendet werden, wobei bei Metallmembranen eine zusätzliche elektrisch isolierende Schicht zwischen Membrane und Heizwendel vorzusehen ist.Instead of polyimide as membrane material, others can also Plastics or metals are used, with metal membranes an additional electrically insulating layer between Membrane and heating coil must be provided.
Die so fertiggestellten Einzelkomponenten Pumpgehäuseoberteil,
Pumpgehäuseunterteil und Polyimid-Membrane mit Titan-Heizwendeln
konnten auf Fehler untersucht werden und standen nun zur
Verklebung bereit. Die drei Einzelkomponenten wurden durch
zwei Klebevorgänge (Figur 7) der beschriebenen Art miteinander
verklebt. Dazu wurde eine einfache Vorrichtung 35 geschaffen,
in die die Klebepartner eingelegt, zueinander justiert und anschießend
gegeneinander verspannt wurden. Im ersten Klebevorgang
wurde die auf dem Silizium-Substrat 26 befindliche Polyimid-Folie
mit dem Pumpgehäuse-Oberteil 1, welches u.a. die
Aktorkammer und sämtliche Pumpen-Anschlüsse enthält, verklebt
(Figur 7a-c). Um noch eine weitere Spannungsreduzierung in den
freien Membranbereichen der Mikropumpen zu erhalten, wurden
Justierung, Verspannung und Klebstoff-Befüllung bei etwa
100° C vorgenommen. Da die Pumpengehäuse aus PSU bzw. PVDF
einen sehr viel höheren Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten
als das Silizium-Substrat haben, wurden schon die lateralen
Abmessungen der Klebepartner so aufeinander abgestimmt, daß
sie erst nach einer gemeinsamen Erwärmung auf 100° C vollkommen
paßgenau sind. Bei Raumtemperatur sind die Struktur-Abmessungen
der Membrane und der Heizwendeln auf dem Substrat 26
größer als die korrespondierenden Abmessungen der Pumpengehäuse.
Kühlen die Klebepartner nach erfolgter Verkebung wieder
auf Raumtemperatur ab, dann sorgt die Kontraktion der Kunststoff-
Pumpgehäuse für eine Stauchung der Membranen.The individual components of the upper part of the pump housing,
Pump housing lower part and polyimide membrane with titanium heating coils
could be examined for errors and were now available
Ready to glue. The three individual components were through
two adhesive processes (Figure 7) of the type described together
glued. For this purpose, a
Nach einer vollständigen Aushärtung der Verklebung bei 150 °C
wurden der Wafer mit dem zusammenhängenden, aufgeklebten Pumpengehäuseoberteil
1 der Verspannvorrichung 35 entnommen und
die Polyimid-Folie rund um das rechteckige Kunststoffteil eingeschnitten.
Mit fortschreitendender Abkühlung löste sich die
Polyimid-Folie vom eingeschnittenen Rand beginnend und unterstützt
durch die abkühlungsbedingte Kontraktion des Kunststoffteils
1 selbständig von der Siliziumscheibe (Figur 7d).After the adhesive has fully hardened at 150 ° C
the wafer with the connected, glued-on pump housing upper part
1 of the
Im zweiten Klebeschritt wurde schließlich noch in gleicher
Weise das Pumpgehäuse-Unterteil 2 mit der Membran-Seite verklebt
(Figur 7e und 7f). Um die Pumpen in Betrieb zu nehmen,
wurden die notwendigen elektrischen und fluidischen Anschlüsse
angebracht und die Pumpen vereinzelt.In the second gluing step, the same was finally done
Way the pump housing
Die Pumpen wurden mit einer elektrischen Spannung von 15 V und
einer Frequenz von 3 Hz betrieben. Die Spannung wurde für jeweils
58 ms angelegt. Die durchschnittlich zugeführte Leistung
betrug 0.27 W. Es wurde eine Förderrate für Luft von 26 ml/min
gemessen. Deutlich konnte dabei die Auslenkung der Pumpmembran
3 bis an den Boden der Pumpkammer 16 mit dem bloßen Auge erkannt
werden und das mit der Bewegung der Pumpmembrane synchronisierte
Öffnen und Schließen der Ventilmembranen im Mikroskop
beobeachtet werden.The pumps were operated with an electrical voltage of 15 V and
operated at a frequency of 3 Hz. The tension was there for each
58 ms applied. The average input power
was 0.27 W. There was a delivery rate for air of 26 ml / min
measured. The deflection of the pump membrane was clear
3 recognized to the bottom of the
Claims (6)
- Micromembrame pump consisting of the upper and the lower part of the pump housing with membranes being arranged between both parts, thus making up a pump chamber, two valves and flow channels, with the membrane in the range of the pump chamber acting as a pumping membrane and the membranes in the range of the valves taking over part of the valve function, as well as of the driving unit for the pump membrane, characterized by a heating element (4) connected to the pump membrane (3) and by one or several connected trench systems in each part of the pump housing (1, 2) which are open towards the membrane and completely filled with a bonding material.
- Micromembrane pump according to claim 1, characterized by the heating element (4) being an electrically heatable heating spiral.
- Micromembrane pump according to claim 1 or 2, characterized by the pump membrane and the valve membranes being parts of a single complex structure.
- Micromembrane pump according to one of the claims 1 to 3, characterized by the valves consisting of valve seats (10, 14) which are structured into both parts of the pump housing (1, 2) and of holes (11, 15) in the membrane.
- Process for the production of micromembrane pumps according to one of the claims 1 to 4, characterized by both parts of the pump housing accommodating one or several connected trench systems which are open towards the membrane, including the following process steps:a) Adjusting of one or both parts of the pump housing (1, 2) and the membrane (3) and pressing of the adjusted parts together such that the trench systems and the membranes form complex, tight cavity systems, andb) complete filling of the cavity systems with a bonding material.
- Process according to claim 5, characterized by several pumps being produced simultaneously.
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