EP1488106B1

EP1488106B1 - Freistrahldosiermodul und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: EP1488106B1
Application number: EP03749873A
Authority: EP
Inventors: Martin Wackerle; Martin Richter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2023-05-06
Also published as: DE50303833D1; EP1488106A1; DE10220371A1; WO2003095837A1

Abstract

Ein Freistrahldosiermodul umfasst eine Dosierkammer (78) mit einem Dosierkammervolumen, eine an die Dosierkammer (78) angrenzende Betätigungseinrichtung (64, 68), die bei Betätigung das Dosierkammervolumen um ein Verdrängungsvolumen reduziert und eine mit der Dosierkammer (78) fluidmässig verbundene Ausstossöffnung (80), wobei durch einen zwischen der Dosierkammer (78) und der Ausstossöffnung (80) existierenden Fluidbereich ein Düsenvolumen definiert ist. Das Verhältnis aus Verdrängungsvolumen und der Summe aus Dosierkammervolumen und Düsenvolumen ist grösser als das Verhältnis eines Freistrahldrucks zum Atmosphärendruck, um einen Freistrahl zu erzeugen, selbst wenn ein das Dosierkammervolumen und das Düsenvolumen im wesentlichen ausfüllendes kompressibles gasförmiges Medium vorliegen würde. Der Freistrahldruck ist dabei der in der Dosierkammer notwendige Druck, der bei gegebener Ausstossöffnungsfläche gerade genügt, um die Oberflächenenergie zu erzeugen, um an der Ausstossöffnung einen Freistrahl zu bewirken.

Description

Die folgende Erfindung bezieht sich auf ein Freistrahldosiermodul und ein Verfahren zu seiner Herstellung und insbesondere ein solches Freistrahldosiermodul, das auf dem Prinzip einer volumetrischen Verdrängung beruht.
Aus dem Stand der Technik sind zwei Prinzipien für blasentolerante Freistrahldosiermodule bekannt. Das erste Prinzip arbeitet analog zum Tintenstrahlprinzip, wobei durch einen Piezoaktor oder eine Blase, die durch eine Heizeinrichtung erzeugt wird, eine Druckwelle in einer Dosierkammer erzeugt wird, die sich zu einer mit der Dosierkammer in Fluidverbindung befindlichen Düse fortpflanzt und dort Tropfen auslöst. Derartige nach dem Tintenstrahlprinzip arbeitende Freistrahldosiermodule stoßen Tropfen im Pikoliter-Bereich aus, wobei eine typische Tropfengröße bei 50 Pikoliter liegt. Die Wiederholfrequenz, mit der ein solches Freistrahldosiermodul betrieben werden kann, liegt bei einigen kHz. Solche auf dem Tintenstrahlprinzip arbeitende Freistrahldosiermodule sind nachteilig dahingehend, daß das Volumen des ausgestoßenen Tropfens abhängig von den rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit ist, beispielsweise der Viskosität, der Dichte oder der Oberflächenspannung derselben.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Dosiervorrichtungen bekannt, die auf dem physikalischen Prinzip einer volumetrischen Verdrängung arbeiten. Bei derartigen Dosiervorrichtungen wird das Dosiervolumen einer Dosierkammer durch einen Mikroaktor über eine Membran volumetrisch verdrängt.
Das typische Volumen eines durch eine solche Verdrängung ausgestoßenen Strahls beträgt 50 Nanoliter. Ein solches System, das auf einer volumetrischen Verdrängung basiert, ist nachteilig dahingehend, daß typische Wiederholfrequenzen maximal 10 bis 20 Hz betragen dürfen, da beim Ansaugen der Kapillardruck an der Düse nicht unterschritten werden darf, da sonst Luft in die Dosierkammer zurückgesaugt würde.
Generell nachteilig bei allen bekannten Freistrahldosiermodulen ist, daß diese nicht blasentolerant sind. Anders ausgedrückt, bewirkt ein Eintritt einer Luftblase in die Dosierkammer des jeweiligen Dosiermoduls einen Ausfall des Dosiermoduls. Die Dosierkammer mit der zu dosierenden Flüssigkeit muß daher stets vollständig erfolgen, was insbesondere schwierig ist, wenn die Dosierkammer Ecken und dergleichen aufweist. Ferner können Luftblasen durch einen Transport, durch eine Diffusion durch die Kunststoff-Schlauchverbinder, mit denen das Dosiermodul beispielsweise mit einem Reservoir verbunden ist, oder durch das Ausgasen übersättigter Flüssigkeiten beispielsweise durch Temperaturänderungen in die Dosierkammer gelangen. Aus dem Stand der Technik ist es zwar teilweise bekannt, ein Ausfallen des Dosiermoduls beispielsweise durch stroboskopische Funktionstest bzw. eine optische Blasendetektion zwischen Reservoir und Dosierkammer zu erkennen, jedoch hat dies stets eine Unterbrechung des Dosiervorgangs zur Folge und das Dosiermodul muß aufwendig neu befüllt werden.
Eine selbstansaugende Mikromembranpumpe, die die Förderung kompressibler Medien ermöglicht, ist aus der DE-A-19719862 bekannt
Aus der US-B1-6 280 148 ist eine Mikrodosiervorrichtung bekannt, die eine Druckkammer aufweist, die zumindest teilweise durch einen Verdränger begrenzt ist. Eine Betätigungsvorrichtung zum Betätigen des Verdrängers und eine Auslassöffnung, die in fluidischer Verbindung mit der Druckkammer ist, sind vorgesehen.
Die US-A-5 593 290 befasst sich mit einer Mehrkammerpumpe, die drei Kammern aufweist, um ein peristaltisches Pumpen einer Flüssigkeit von einem Reservoir zu einer Abgabespitze zu ermöglichen. Zum Ansaugen bzw. Verdrängen von Flüssigkeit aus den einzelnen Kammern ist eine pneumatisch betätigbare Membran vorgesehen. Eine Fluidleitung zwischen der Abgabespitze und der Ausstoßkammer besitzt ein Volumen, das größer ist als das der Ausstoßkammer, um zu gewährleisten, dass keine Luft in die Ausstoßkammer angesaugt wird. Wenn das Volumen der Ausstoßkammer durch die Membran verdrängt wird, wird zunächst ein Luftvolumen aus der Abgabespitze abgegeben, gefolgt von einer Flüssigkeitsmenge, die gleich dem Volumen der Dosierkammer ist. Die Abgabe erfolgt über die Bildung eines Tropfens.
Aus der DE 197 37 173 A ist ein Mikrodosiersystem mit einem Reservoir, einer Mikromembranpumpe, deren Eingang mit dem Reservoir verbunden ist, einem Freistrahldosierer, dessen Eingang mit dem Ausgang der Mikromembranpumpe verbunden ist, einer mit dem Ausgang des Freistrahldosierers verbundenen Dosieröffnung und einer mit der Mikromembranpumpe und dem Freistrahldosierer in Wirkverbindung stehenden Dosiersteuerung bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein blasentolerantes Freistrahldosiermodul und ein Verfahren, das sich zur Herstellung eines solchen eignet, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Freistrahldosiermodul nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein Freistrahldosiermodul zuverlässig blasentolerant arbeiten kann, wenn sein Kompressionsverhältnis, d.h. das Verhältnis aus Verdrängungsvolumen und der Summe aus Dosierkammervolumen und Düsenvolumen, größer gewählt wird als das Verhältnis des Freistrahldrucks zum Atmosphärendruck. Das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul besteht vorzugsweise aus einer Dosierkammer, einer Düse, einer Zuleitung und optional aus einem Reservoir, das mit der Zuleitung verbunden ist, wobei das Modul derart gestaltet ist, daß das Verhältnis aus verdrängtem Volumen der Betätigungseinrichtung und dem Totvolumen, das aus der Summe des Totvolumens von Dosierkammer und Düsenkammer besteht, größer ist als das Verhältnis des Drucks, der zur Bildung eines Freistrahls nötig ist, zu dem Atmosphärendruck.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Freistrahldosiermoduls umfassen ein Ventilelement zwischen Zuleitung und Dosierkammer und/oder zwischen Ausstoßöffnung der Düse und Dosierkammer. Ein solches Ventilelement kann durch ein passives Rückschlagventil, ein aktives Ventil oder ein Diffusor-Düsenelement gebildet sein. Ist ein Ventilelement zwischen Ausstoßöffnung der Düse und Dosierkammer vorgesehen, ist dies bei der Ermittlung des notwendigen Kompressionsverhältnisses des Freistrahldosiermoduls zu berücksichtigen, indem dieses Kompressionsverhältnis größer gemacht wird als das Verhältnis aus Summe des Freistrahldrucks und zum Öffnen des passiven Rückschlagventils notwendigen Drucks zu dem Atmosphärendruck. In der Zuleitung zu der Düsenkammer kann ein Filterelement vorgesehen sein, wobei zwischen Filterelement und Düsenkammer vorzugsweise ein Ventilelement angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines Freistrahldosiermoduls, dessen Kompressionsverhältnis der obigen Bedingung genügt. Dabei kommt das erfindungsgemäße Verfahren mit einer geringen Anzahl von Maskenschritten, minimal zwei, aus, um Zuleitung, Dosierkammer und Düsenstruktur sowie zwischen Zuleitung und Düsenkammer sowie Düsenstruktur und Dosierkammer angeordnete passive Rückschlagventile zu erzeugen.
Sollen passive Rückschlagventile erzeugt werden, ist auf der ersten Schicht eine weitere vierte Schicht vorgesehen, da die erste Schicht zum Freilegen der Ventilklappenstrukturen der passiven Rückschlagventile selektiv geätzt werden muss. Um dies zu ermöglichen, sind die passiven Rückschlagventile lateral angeordnet, d.h. sind in der Ebene der Schicht, in der Zuleitung, Dosierkammer und Düsenstruktur gebildet werden, beweglich. Gleichzeitig mit den genannten Strukturen kann in der Zuleitung ein Fluidfilterelement erzeugt werden. Der erste Maskenschritt dient dabei zum Erzeugen der jeweiligen Strukturen in der zweiten Schicht, während der zweite Maskenschritt zum Erzeugen von den beweglichen Ventilklappenstrukturen gegenüberliegenden Vertiefungen in der dritten Schicht dient. Zum Ätzen der ersten Schicht, um die Ventilklappen selektiv freizuätzen, wird keine zusätzliche Maske benötigt.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die vorliegende Erfindung und bevorzugte Ausführungsbeispiele derselben werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a: bis 1c schematische Querschnittdarstellungen zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips eines auf der Grundlage einer volumetrischen Verdrängung arbeitenden Dosiermoduls;
Fig. 2a: bis 2c entsprechende Darstellungen eines Dosier-moduls bei Vorliegen einer Luftblase;
Fig. 3: ein Diagramm eines an der Ausstoßöffnung eines solchen Dosiermoduls anliegenden Drucks;
Fig. 4: eine schematische Querschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Freistrahldosiermoduls;

Fig. 5: eine schematische Draufsicht auf ein Substrat, in dem Strukturelemente eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Freistrahldosiermoduls gebildet sind;
Fig. 6: eine schematische Draufsicht eines Substrats, in dem Strukturelemente eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Freistrahldosierelements gebildet sind;
Fig. 7a: bis 7f schematische Querschnittdarstellungen zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist ein Freistrahldosiermodul gezeigt, das auf der Grundlage einer volumetrischen Verdrängung arbeitet. Das Freistrahldosiermodul umfaßt ein Reservoir 10, eine Zuleitung 12, eine Dosierkammer 14, an die auf einer Seite eine Aktormembran 16 angrenzt, und eine Düse 18 mit einer Ausstoßöffnung 20. Wie in Fig. 1a gezeigt ist, ist das Freistrahldosiermodul mit einer zu dosierenden Flüssigkeit 22 befüllt. Das Freistrahldosiermodul kann dabei so ausgestaltet sein, daß eine Befüllung von Zuleitung, Dosierkammer und Düse durch Kapillarkräfte erfolgt. Ferner kann eine Befüllung durch eine Druckbeaufschlagung des in dem Reservoir 10 befindlichen Mediums unterstützt werden, wobei diese Druckbeaufschlagung jedoch so gering sein muß, daß keine Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung 20 austreten kann, sondern an derselben ein Flüssigkeitsmeniskus 24 erhalten bleibt.
Das Volumen der Dosierkammer ist bei einem solchen Dosiermodul durch eine Bewegung der Aktormembran 16, wie sie durch gepunktete Linien in Fig. la angezeigt ist, veränderbar.
Fig. 1b zeigt einen Zustand des Dosiermoduls während eines Ausstoßvorgangs, bei dem durch eine Betätigungseinrichtung (nicht gezeigt), beispielsweise einen Piezoaktor, die Aktormembran derart betätigt wird, daß das Volumen der Dosierkammer 14 reduziert wird, wie durch einen Pfeil 26 angezeigt ist. Dadurch wird ein Fluidfluß 28 zu der Düse 18 hin erzeugt, wobei die Betätigung der Aktormembran 16 derart ist, daß der dadurch an der Ausstoßöffnung 20 bewirkte Druck ausreicht, um einen Freistrahl 30 zu erzeugen. Ferner wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Betätigung der Aktormembran 16 ferner ein Fluidrückfluß 32 bewirkt, der durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise einen höheren Flußwiderstand der Zuleitung 12 verglichen mit der Düse 18 oder das Vorsehen von Ventilelementen, reduziert oder verhindert werden kann.
In Fig. 1c ist ein Wiederbefüllvorgang der Dosierkammer nach einem erfolgten Ausstoß, wie er in Fig. 1b gezeigt ist, dargestellt. Zu diesem Zweck wird die Aktormembran 16 in eine zu der in Fig. 1b gezeigten Bewegungsrichtung entgegengesetzte Richtung 34 betätigt, so daß ein Medienfluß 36 in die Dosierkammer 14 stattfindet. An der Ausstoßöffnung 20 der Düse 18 regelt sich dabei wieder ein Flüssigkeitsmeniskus 24 ein. Der Kapillardruck in der Düse 18 verhindert dabei ein Einsaugen von Luft in die Düsenkammer 14 während des Wiederbefüllvorgangs.
Problematisch ist, daß bekannte Freistrahldosiermodule, die nach dem obigen Prinzip arbeiten, nicht blasentolerant sind. In Fig. 2a ist das oben Bezug nehmend auf die Figuren 1a-1c beschriebene Freistrahldosiermodul gezeigt, wobei eine Luftblase 40 in der Dosierkammer vorliegt. Solche Luftblasen könne beispielsweise durch den Transport in die Dosierkammer gelangen, durch eine Diffusion durch Kunststoff-Schlauchverbinder oder durch das Ausgasen übersättigter Flüssigkeiten, beispielsweise bei Temperaturänderungen.
Wie in Fig. 2b gezeigt ist, wird diese Luftblase während eines Dosiervorgangs, wie er durch den Pfeil 26 angezeigt ist, komprimiert, wie in Fig. 2b durch das komprimierte Blasenvolumen 40a verglichen mit dem ursprünglichen Blasenvolumen 40b angedeutet ist. In Folge dieser Komprimierung der Luftblase 40 sinkt der Druck an dem Ausstoßende 20 der Düse 18 unter die Freistrahlgrenze. Somit findet beim Ausstoßvorgang 26 kein Freistrahl statt, sondern stattdessen wird die Düse mit dem zu dosierenden Medium überschwemmt, wie durch das Medium 42 in Fig. 2b angedeutet ist.
Beim nachfolgenden Wiederbefüllvorgang, der durch den Pfeil 34 in Fig. 2c angezeigt ist, verbleibt die Luftblase 40 in der Dosierkammer 14 und nimmt im wesentlichen ihr ursprüngliches Volumen an.
Die oben beschriebene mangelhafte Blasentoleranz ist ein entscheidendes Hindernis im praktischen Einsatz von mikrotechnisch strukturierten Freistrahldosiermodulen. Im folgenden wird die Ursache für die fehlende Blasentoleranz näher erläutert. Für die Bildung eines Freistrahls muß unmittelbar an der Düse, die eine präzise definierte Geometrie, d.h. eine präzise definierte Ausstoßöffnung besitzt, ein Überdruck aufgebaut werden. Die durch den Überdruck aufgebaute potentielle Energie dW_pot liefert die Energie dW_ob für die freie Oberfläche des Freistrahls und die kinetische Energie dW_kin des Strahls, der in der Regel noch zielgerichtet abgegeben werden muß. Es gilt: $d W_{p o t} = d W_{o b} + d W_{k in} .$
Daraus folgt: $p_{d} A_{D} = σ U_{D} + \frac{1}{2} m v^{2},$

wobei p_d der an der Ausstoßöffnung der Düse herrschende Druck ist, A_d die Ausstoßöffnungsfläche ist, σ die Oberflächenspannung des Mediums ist, U_D die notwendige Flächeränderung der Oberfläche des auszustoßenden Mediums ist, m die Masse des ausgestoßenen Freistrahls ist und v die Geschwindigkeit desselben ist.
Der Druck, der gerade notwendig ist, um die Oberflächenenergie zu überwinden, beträgt: $P_{frei} = {p_{d} |}_{v = 0} = σ U_{D} / A_{D} .$
Ein typischer Wert für die Freistrahlgrenze ergibt sich für σ = 0,075 N/m und eine runde Düse mit einem Durchmesser von 90 µm zu: p_frei = 33 hPa.
Der Druck p_frei, der bei gegebener Düsenfläche gerade genügt, um die Oberflächenenergie zu erzeugen, wird im folgenden "Freistrahlgrenze" genannt. Befindet sich nun eine Gasblase in der Dosierkammer, wirkt diese, wie oben ausgeführt, als ein Dämpfungselement für die durch das Aktorelement in der Dosierkammer erzeugten Überdrücke. Dadurch wird der Druck an der Düse reduziert und sinkt unter die Freistrahlgrenze.
Das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul ermöglicht nun, während eines Ausstoßvorgangs auch im schlechtesten Fall (Worst-Case-Fall) den Druck p_d an der Düse, d.h. an der Ausstoßöffnung derselben, fast während des gesamten Ausstoßzyklus oberhalb der Freistrahlgrenze p_frei zu halten. Es wird dabei davon ausgegangen, daß der Aktor, der die erforderlichen Drücke aufbaut, so dimensioniert ist, daß er diese erforderlichen Drücke liefern kann, wie es für übliche Mikroaktoren der Fall ist. Idealerweise wird also ein rechteckförmiges Druckprofil angestrebt, wie es in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist. Ein praktisch realisierbarer anzustrebender Druckverlauf 52 ist ebenfalls in Fig. 3 dargestellt.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, liegen beide Druckverläufe im wesentlichen während des gesamten Ausstoßvorgangs über der Freistrahlgrenze p_frei. Wie zu erkennen ist, ist es vorteilhaft, den Druck schnell aufzubauen, typischerweise in einer Größenordnung von 1 ms. Mikroaktoren, insbesondere solche auf piezoelektrischer oder elektrostatischer Basis, sind hierfür besonders geeignet. Dabei besteht jedoch ein grundsätzliches Problem bei der Verwendung von mikroaktorischen Antriebsprinzipien darin, daß der Hub derselben sehr klein ist. Bei einem elektrostatischen Membranantrieb liegt er in der Größenordnung von 5 µm, während piezoelektrische Membranantriebe je nach Membranauslegung Hübe von 30 µm oder mehr erreichen. Piezostapelaktoren erreichen noch etwas größere Hübe, sind jedoch aufwendig herzustellen.
Infolge der durch mikroaktorische Antriebe angetriebenen Antriebsmembran wird nur ein kleines Schlagvolumen von einigen 10 Nanolitern erreicht. Daher ist auch das Kompressionsverhältnis ε, das durch das Verhältnis zwischen Dosiervolumen ΔV, d.h. Verdrängungsvolumen der Antriebsmembran, und dem Totvolumen V₀ definiert ist, bei Freistrahldosiermodulen klein. Das Totvolumen V₀ setzt sich dabei aus Dosierkammervolumen V_k und Düsenkammervolumen V_d zusammen. Das Kompressionsverhältnis ε ist definiert als: $ε = Δ V / V_{0}$
Das Freistrahldosiermodul kann dann einen Freistrahl erzeugen, wenn der an der Ausstoßöffnung der Düse erzeugte Druck p_d größer ist als die Freistrahlgrenze p_frei. Die Bedingung für einen Freistrahl lautet somit: $| p_{d} | > | p_{frei} | .$
Es sei nun eine Worst-Case-Betrachtung für ein blasentolerantes Dosiermodul durchgeführt. Der Worst-Case würde dann auftreten, wenn die gesamte Dosierkammer mit dem Volumen V_k einschließlich des Volumens zwischen Dosierkammer und Ausstoßöffnung der Düse (Düsenkammervolumen V_d) mit Luft, die ein komprimierbares gasförmiges Medium darstellt, eines Volumens V_gas gefüllt ist, d.h.: $V_{gas} = V_{0} = V_{k} + V_{d} .$
In diesem Worst-Case-Fall ist die oben beschriebene Dämpfungswirkung maximal. Während des Ausstoßvorgangs komprimiert die Aktormembran dieses Luftvolumen. Der maximale Druck an der Düse wird dann durch den Druck in der Luftblase bestimmt. Der Druck an der Düse p_d berechnet sich aus der Zustandsgleichung der Luftblase: $p_{0} V_{0}^{γ_{A}} = (p_{0} + p_{d}) {(V_{0} + Δ V)}^{γ_{A}}$
Wobei γ_A der Adiabatenkoeffizient des Gases ist, P₀ der atmosphärische Druck ist, der als p₀ = 1013 hPa angenommen werden kann, und ΔV die Volumenänderung durch die Komprimierung der Gasblase ist. Zusammen mit der oben angegebenen Bedingung für den Freistrahl ergibt sich für das mindestens notwendige Kompressionsverhältnis von blasentoleranten Freistrahlmodulen: $ε > {(\frac{p_{0}}{p_{0} - | p_{frei} |})}^{\frac{1}{γ_{A}}} - 1.$
Ist die Freistrahlgrenze p₃ klein gegenüber dem Atmosphärendruck p₀, was beispielsweise erfüllt ist bei p₃ = 33 hPa gegenüber p₀ = 1013 hPa, kann die obige Gleichung vereinfacht werden zu: $ε > \frac{1}{γ_{A}} \frac{p_{frei}}{p_{0}} .$
Bei schnellen Zustandsänderungen sind die Verhältnisse adiabatisch, γ_A = 1,4 für Luft, bei langsamen Zustandsänderungen isotherm, γ_A = 1. Mit einer konsequenten Anwendung der Worst-Case-Annahme wird erfindungsgemäß zur Bestimmung des mindestens notwendigen Kompressionsverhältnisses als Kriterium γ_A = 1 verwendet. Als Faustregel für das notwendige Kompressionsverhältnis von Freistrahldosiermodulen gilt also, daß das Kompressionsverhältnis blasentoleranter Freistrahldispenser größer sein muß als das Verhältnis der Freistrahlgrenze p_frei zum Atmosphärendruck, d.h. $ε > \frac{p_{frei}}{p_{0}} .$
Mit den oben genannten Volumina gilt: $\frac{Δ V}{V_{k} + V_{d}} > \frac{p_{frei}}{p_{0}}$
Daraus ergibt sich die erfindungsgemäße Dimensionierung des Freistrahldispensers dahingehend, daß das Verhältnis aus verdrängtem Volumen der Betätigungseinrichtung und dem Totvolumen, d.h. der Summe des Totvolumens von Dosierkammer und Düsenkammer, größer ist als das Verhältnis des Drucks, der für die Bildung eines Freistrahls nötig ist, zu dem Atmosphärendruck. Dadurch ist sichergestellt, daß der maximale, in der Luftblase auftretende Druck bei dem Ausstoßvorgang größer ist als die Freistrahlgrenze. Durch die konsequente Anwendung der Worst-Case-Annahme ergibt sich eine überschüssige potentielle Energie, die dem Strahl eine kinetische Energie und damit eine definierte Richtung gibt. Ferner kann durch eine entsprechende weitere Erhöhung des Kompressionsverhältnisses die für die kinetische Energie zur Verfügung stehende Energie erhöht werden.
Wie oben ausgeführt wurde, wird der Antrieb vorteilhaft so ausgestaltet, daß das Volumen sehr rasch komprimiert werden kann, d.h., es werden vorteilhaft Mikroaktoren, insbesondere auf piezoelektrischer oder elektrostatischer Basis, verwendet. Derartige Aktoren müsen überdies geeignet sein, die Volumenänderung abrupt zu stoppen, so daß die Druckflanke steil abfällt und der Strahl definiert abreißt. Ein solcher schneller Druckabfall kann realisiert werden, indem der Antrieb ausgelegt ist, um die Aktormembran aktiv zurückzuziehen. Alternativ können Dosierkammer, Aktormembran und Betätigungseinrichtung so ausgelegt sein, das die Aktormembran aus der Bewegung in der Ausstoßphase durch Auftreffen auf einen Anschlag abrupt abgebremst wird. Beispielsweise kann das Freistrahldosiermodul so ausgelegt sein, daß die Aktormembran auf die gegenüberliegende Kammerwand oder auf derselben gebildete Vorsprünge auftrifft und dadurch ihre Bewegung gestoppt wird. Würde die Kraft, mit der die Membran beaufschlagt wird, ohne Anschlag ausreichen, um dieselbe weiter auszulenken, erfolgt durch das abrupte Abbremsen ein abrupter Druckabfall und damit ein definierter Abriß an der Ausstoßöffnung.
Bei einer erfindungsgemäßen Freistrahldosiervorrichtung mit dem beschriebenen Kompressionsverhältnis kann der Strömungswiderstand der Zuleitung größer definiert werden als der Strömungswiderstand der Düsenkammer. Dadurch wird der überwiegende Teil des Volumens aus der Düse und nicht in das Reservoir zurückgedrückt. Allerdings hängt das Verhältnis von den rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit ab. Vorzugsweise wird daher bei einem erfindungsgemäßen Freistrahldosiermodul zwischen einer Zuleitung und der Dosierkammer ein Ventilelement angeordnet, beim dem es sich beispielsweise um ein Diffusor-Düsen-Element (Diffusor-Nozzle), ein passives Rückschlagventil oder ein aktives Ventil handeln kann. Unter Diffusor-Düsen-Element wird dabei ein sich verjüngendes Element verstanden, das eine bevorzugte Flußrichtung aufweist.
Durch das Vorsehen eines Ventilelements zwischen Zuleitung und Dosierkammer ist sichergestellt, daß das gesamte zu verdrängende Volumen durch die Ventilwirkung ausgestoßen wird.
Besitzt die Zuleitung einen zu großen Strömungswiderstand, besteht ein weiterer Nachteil darin, daß die Wiederbefüllung sehr langsam abläuft, was Wiederholfrequenzen drastisch reduziert. Darüber hinaus darf der Unterdruck beim Wiederbefüllen bereits im Normalbetrieb, d.h. einer vollständigen Befüllung der Pumpkammer mit einem zu dosierenden Medium, den Kapillardruck des Meniskus am Ausstoßende der Düse nicht übersteigen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen daher auch zwischen Ausstoßöffnung der Düse und Dosierkammer ein Ventilelement, bei dem es sich wiederum beispielsweise. um ein Diffusor-Düsenelement, ein passives Rückschlagelement oder ein aktives Ventil handeln kann.
Ein solches Ventil zwischen Dosierkammer und Düsenausstoßöffnung besitzt im Normalbetrieb, d.h. bei vollständiger Füllung der Dosierkammer mit Flüssigkeit, den Vorteil, daß sichergestellt ist, daß beim Wiederbefüllen der Dosierkammer ein wesentlich höherer Unterdruck auftreten darf als ohne dieses Ventil. Somit ist der Wiederbefüllvorgang nicht wie bisher auf eine maximale Wiederholfrequenz von ca. 10 Hz begrenzt. Die Ansaugzeit wird vielmehr unabhängig vom Kapillardruck. In einem Störfall, d.h.,bei Anwesenheit einer Gasblase in der Dosierkammer, stellt das Ventil sicher, daß das durch das Aktorelement verdrängte Volumen vollständig nur aus der Reservoirleitung zufließt, egal ob Luft oder Flüssigkeit. Falls dieses Ventil nicht vorgesehen wäre, würde sich die Dosierkammer zwar auch durch Kapillarkräfte füllen, aber nur, falls die Dosierkammer gegenüber dem zu dosierenden Medium benetzende Eigenschaften hat. Dieser durch Kapillarkräfte verursachte Befüllvorgang ist langsam und von den rheologischen Eigenschaften des zu befüllenden Mediums abhängig.
Im allgemeinsten Fall weist eine erfindungsgemäße Freistrahldosiervorrichtung einen den Fig. 1 und 2 entsprechenden Aufbau auf (Zuleitung und Reservoir optional), wobei die Dosierkammer 14 und die Düse 18 derart ausgebildet sind, daß das definierte Verhältnis ihrer Volumina zum Verdrängungsvolumen erfüllt ist.
Eine schematische Querschnittansicht eines mit Rückschlagventilen versehenen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Freistrahldosiermoduls ist in Fig. 4 gezeigt. Das Freistrahldosiermodul ist dabei durch eine Mikromembranpumpe 60 und einen damit verbundenen Düsenchip 62 gebildet. Der Aufbau der Mikromembranpumpe 60 kann dabei im wesentlichen dem Aufbau der in der DE 19719862 A1 beschriebenen Mikromembranpumpe entsprechen, wobei jedoch zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Freistrahldosiermodul die dargelegte Bedingung bezüglich des Kompressionsverhältnisses eingehalten werden muß. Darüberhinaus muß das Kompressionsverhältnis mindestens so groß sein, um zusätzlich den Druck zu erzeugen, der notwendig ist, um die Ventilklappe des passiven Rückschlagventils zwischen Pumpe und Düse zu öffnen..
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, umfaßt die Mikromembranpumpe 60 eine Betätigungseinrichtung 64, vorzugsweise in der Form eines Piezoaktors. Die Betätigungseinrichtung 64 ist an einer in einem Membranchip 66 gebildeten Membran 68 angebracht. Die Mikromembranpumpe 60 umfaßt ferner einen ersten Ventilchip 70 und einen zweiten Ventilchip 72. In den Ventilchips sind jeweilige Strukturen definiert, die am Einlaß und am Auslaß der Mikromembranpumpe jeweilige passive Rückschlagventile 74 und 76 liefern. Der Aufbau und die Herstellung derartiger passiver Rückschlagventile kann herkömmlich sein und bedarf daher hierin keiner weiteren Erörterung.
Durch die Ventilchips 70 und 72 sowie den Membranchip 66 ist eine Pumpkammer 78 der Mikromembranpumpe definiert, die die erfindungsgemäße Dosierkammer darstellt. Der Düsenchip 62 ist derart an der Mikromembranpumpe, d.h. am zweiten Ventilchip 72 derselben angebracht, daß eine in demselben gebildete Düse 80 über das vorgesehene Ventilelement mit dem Auslaß der Mikromembranpumpe, der mit dem Rückschlagventil 76 versehen ist, verbunden ist. Ferner ist in dem Düsenchip 62 eine Durchlaßöffnung 82 vorgesehen, über die der mit dem Rückschlagventil 74 versehene Einlaß der Mikromembranpumpe 60 mit einem Zuleitungskanal 84 verbunden ist, der wiederum mit einem Reservoir 86 fluidmäßig verbunden ist.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul somit durch eine Mikromembranpumpe mit einem separaten Düsenchip gebildet, wobei dieses Freistrahldosiermodul ein Reservoir 86 mit einer entsprechenden Zuleitung 84 aufweist. Die Struktur, in der Reservoir and Zuleitung gebildet sind, kann getrennt von dem Freistrahldosiermodul, das aus Mikropumpe 60 und Dosierchip 62 besteht, erzeugt und dann mit demselben verbunden werden.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, das am Auslaßende der Mikropumpe ein Ventilelement aufweist, ist zu beachten, daß sich die Freistrahlgrenze um den Druck erhöht, der notwendig ist, um das am Auslaßende vorgesehene Ventil 76 zu öffnen. Dieser zum Öffnen der Ventilklappe notwendige Druck setzt sich zusammen aus den rücktreibenden Kräften der Ventilklappe und den Kräften, die aufgebracht werden müssen, um aufgrund eines Benetzungszustands der Ventilöffnung auftretende, einem Öffenen der Ventilklappe entgegenwirkende Kräfte zu überwinden. Hier ist somit das Kompressionsverhältnis größer zu wählen als das Verhältnis aus Summe des Freistrahldrucks und des zum Öffnen des passiven Rückschlagventils notwendigen Drucks zu dem Atmosphärendruck. Um dann dem ausgestoßenen Freistrahl 90 ausreichend kinetische Energie zur Verfügung zu stellen, kann das Kompressionsverhältnis wieder entsprechend höher gewählt werden.
Bezug nehmend auf die Figuren 5 bis 7 wird nachfolgend ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines Freistrahldosiermoduls näher beschrieben. Insbesondere kann ein solches Verfahren vorteilhaft verwendet werden, um ein Freistrahldosiermodul mit den oben beschriebenen Kompressionsverhältnissen zu erzeugen.
Als Ausgangsstruktur wird, wie in Fig. 7a gezeigt ist, eine Dreischichtstruktur verwendet, die einen Siliziumwafer 92, eine Oxidschicht 94 und eine Siliziumschicht 96 aufweist. Vorteilhafterweise kann als solche Dreischichtstruktur ein sogenannter SOI-Wafer (SOI = Silicon on Insulator) oder BESOI-Wafer (BESOI = Bonded Etched Back Silicon On Insulator) verwendet werden. Alternativ können andere Schichtmaterialien verwendet werden, die eine Verarbeitung durch die nachfolgenden Schritte ermöglichen.
In der Siliziumschicht 96 der Dicke D werden in einem nachfolgenden anisotropen Trockenätzen Fluidkanäle, Ventilklappen, eine Pumpkammer und ein Düsenkanal, vorzugsweise in einem Ätzschritt, erzeugt.
Eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Siliziumschicht 96 nach dem anisotropen Trockenätzen derselben ist in Fig. 5 gezeigt. Wie dort zu erkennen ist, werden durch das anisotrope Trockenätzen eine Dosierkammer 100, ein Dosierkammereinlaß 102 und ein Dosierkammerauslaß 104 erzeugt. Wie in Fig. 5 zu sehen ist, sind sowohl der Einlaß 102 als auch der Auslaß 104 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Dichtlippe versehen. Ferner werden in der Siliziumschicht 96 eine Einlaßventilklappe 106 und eine Auslaßventilklappe 108 erzeugt. Die Ventilklappe 106 bildet zusammen mit dem Einlaß 102 ein Einlaßventil, während die Ventilklappe 108 zusammen mit dem Auslaß 104 ein Auslaßventil bildet. In der Siliziumschicht 96 wird ferner eine Düsenkammer 110 sowie eine Zuleitung 112 erzeugt. Die Zuleitung umfaßt einen verbreiterten Bereich 114, in dem Vorsprünge 116 stehenbleiben, so daß dieser Bereich als Fluidfilter wirkt. Neben den genannten Strukturen werden während des anisotropen Trockenätzens in der Siliziumschicht 96 ferner Sollbruchstellen 120, 122 vorgesehen, entlang derer später ein Brechen stattfinden kann, um zum einen die Zuleitung 112 freizulegen und zum anderen eine Ausstoßöffnung 124 der Düse, d.h. der Düsenkammer 110 zu realisieren.
Eine alternative Strukturierung der Siliziumschicht 96 während des anisotropen Trockenätzens (Fig. 7b) ist in Fig. 6 gezeigt. Strukturen bei dem dort gezeigten Ausführungsbeispiel, die im wesentlichen denen von Fig. 5 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist kein Fluidfilter in der Zuleitung 112 vorgesehen. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel sind in der der Auslaßventilklappe 108 gegenüberliegenden Wand der Düsenkammer 110 Vorsprünge 126 vorgesehen, die dazu dienen, ein Anhaften der Ventilklappe 108 im geöffneten Zustand an dieser Wand zu verhindern.
Nach dem Erzeugen der Strukturen in der Siliziumschicht 96 erfolgt ein selektives Freiätzen der Ventilklappen, vorzugsweise ein HF-Ätzen, so daß die Oxidschicht im Bereich unterhalb der Ventilklappen 106 und 108 (Fig. 5) entfernt wird, so daß diese in der Ebene der Siliziumschicht 96 lateral beweglich sind. Die Breite der Ventilklappen 106 und 108 ist ausgelegt, um ein Unterätzen derselben durch HF-Ätzen der Oxidschicht 94 zu ermöglichen. Typische geeignete Breiten der Ventilklappen können dabei in einem Bereich von 5 bis 30 µm liegen.
Die sich ergebende Struktur ist in Fig. 7c dargestellt. Ferner ist in Fig. 7c eine Siliziumschicht 130 gezeigt, in der gegenüberliegend den Ventilklappen 106 und 108 Ausnehmungen bzw. Vertiefungen 132 durch ein anisotropes Trockenätzen gebildet sind, um ein Festbonden der Ventilklappen beim nachfolgenden Verbinden der Siliziumschicht 130 mit der Siliziumschicht 96 zu verhindern, so daß die Ventilklappen beweglich bleiben. Die Ausnehmungen können beispielsweise eine Tiefe von 1 bis 3 µm aufweisen.
An dieser Stelle sein angemerkt, daß sich durch das Unterätzen der Ventilklappen und durch das Erzeugen der Vertiefungen 132 die jeweiligen Fluiddurchlässe 102 und 104 durch die Ventilklappen 106 und 108 nicht vollständig verschlossen werden können. Aufgrund der Tiefe der nicht verschließbaren Abschnitte in einer Größenordnung von 1 bis 3 µm weisen diese jedoch einen so hohen Flußwiderstand auf, daß ein Fluß durch dieselben vernachlässigbar ist, so daß die jeweiligen Fluiddurchlässe als durch die Ventilklappen im wesentlichen verschließbar angesehen werden können.
Das Verbinden der Schichten 96 und 130 erfolgt vorzugsweise durch ein übliches Waferbonden unter Ausnutzung von OH-Gruppen. Zu diesem Zweck wird unterstützend vor dem Verbinden auf zumindest einer der Schichten eine dünne Oxidschicht erzeugt, die jedoch keine Fügeschicht im klassischen Sinn darstellt, so daß das Waferbonden als fügeschichtlos bezeichnet werden kann.
Die sich ergebende Struktur nach diesem Schritt des Verbindens ist in Fig. 7d gezeigt, wobei zu erkennen ist, daß durch den Schritt des Verbindens die Dosierkammer 100 gebildet wird. An dieser Stelle sei ausgeführt, daß die Figuren 7a bis 7f rein schematisch sind, so daß die erzeugten Ventilstrukturen lediglich als unterätzte Abschnitte 134 und 136 in denselben dargestellt sind.
Nach dem fügeschichtlosen Verbinden der beiden Wafer wird auf die Oberseite des Wafers 92 eine Passivierungsschicht 138 aufgebracht, woraufhin ein Dünnen der Siliziumschicht 130 von der freiliegenden Rückseite derselben her erfolgt, um die Siliziumaktormembran 140 für das Freistrahldosiermodul zu erzeugen, wie in Fig. 7e dargestellt ist.
Die Schicht 130 kann beispielsweise einer ganzflächigen KOH-Dünnung oder einem ganzflächigen Dünnen durch Schleifen unterworfen werden. Alternativ kann ein strukturiertes Dünnen lediglich der Bereiche der Schicht 130 erfolgen, die als Aktormembran dienen sollen. Alternativ zum prozeßtechnischen Behandeln der Schicht 130 zum Erzeugen der Membran nach dem Aufbringen derselben kann die Schicht 130 bereits mit einer Dicke aufgebracht werden, die, zumindest in den Aktormembranbereichen, der gewünschten Membrandicke entspricht.
Nachfolgend wird eine Antriebseinrichtung auf die Siliziumaktormembran 140 aufgebracht. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird dazu zunächst eine Metallisierungsschicht 142 auf die freiliegende Oberfläche der Schicht 130 aufgebracht und nachfolgend eine Piezokeramik 144 auf die Metallisierungsschicht 142 aufgebracht, vorzugsweise geklebt.
Alternativ zum Kleben der Piezokeramik kann ein Piezostapel (Piezostack) derart mit der Aktormembran in Berührung gebracht werden, daß durch denselben die Aktormembran betätigt werden kann. Die Verwendung eines Piezostapels ermöglicht größere Kräfte und größere Hübe, ist jedoch aufwendiger als eine aufgeklebte Piezokeramik. Somit eignet sich die Verwendung eines Piezostapels insbesondere für einen modularen Aufbau, bei dem die Betätigungseinrichtung nicht dauerhaft mit dem Rest des Freistrahldosiermoduls verbunden und somit wiederverwendbar ist.
Abschließend oder vor dem Anbringen der Betätigungseinrichtung werden durch Brechen entlang der Sollbruchstellen 120 und 122 die Ausstoßöffnung der Düsenkammer 110 und eine Einlaßöffnung der Zuleitung 112 geöffnet. Ein Brechen ist vorteilhaft dahingehend, daß dasselbe trocken durchgeführt wird. Alternativ könnten die obigen Öffnungen durch Sägen der Schichtstruktur erzeugt werden, wobei dabei die Gefahr besteht, daß die Öffnungen durch verwendetes Sägewasser und Sägestaub kontaminiert werden. Ein weiteres Verfahren zum Vereinzeln bzw. zum Erzeugen der Öffnungen besteht darin, ein Laserschneiden durchzuführen, was ebenfalls ein trockenes Verfahren ist und ferner definierte Düsenflächen liefert. Darüberhinaus ist es nicht notwendig, die Öffnungen lateral zu erzeugen. Vielmehr könnten die Zuleitungseinlaßöffnung und/oder die Ausstoßöffnung durch die Schichten 130 und 142 nach unten und/oder durch die Schichten 92 und 138 nach oben gebildet sein.
Das oben beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines Freistrahldosiermoduls, dessen Kompressionsverhältnis die oben beschriebene Bedingung erfüllt. Dies ist insbesondere vorteilhaft möglich, wenn für die angesprochenen Ätzschritte ein anisotropes Trockenätzen statt einer KOH-Strukturierung verwendet wird. Das anisotrope Trockenätzen ermöglicht ein geringes Totvolumen in der Dosierkammer unter Verwendung lediglich eines einzigen Prozeßschrittes. Ferner sind beliebige Kanal- und Kammergeometrien realisierbar. Darüber hinaus sind lediglich zwei Masken erforderlich, um bei Verwendung eines anisotropen Trockenätzens durch das beschriebene Verfahren das Freistrahldosiermodul zu erzeugen. Wie insbesondere Bezug nehmend auf Fig. 5 beschrieben wurde, ermöglicht das anisotrope Trockenätzen ferner die Integration eines Fluidfilters in der Zuleitung. Darüber hinaus ist dadurch ein geringes Totvolumen im Ventilbereich möglich.
Neben dem oben beschriebenen fügeschichtlosen Verbinden der beiden Wafer können dieselben auch unter Verwendung einer Verbindungsschicht miteinander verbunden werden. In einem solchen Fall weist die Verbindungsschicht Ausnehmungen im Bereich der Ventilklappenstrukturen auf, so daß diese Ventilklappen wiederum in der Ebene der Schicht, in der dieselben gebildet sind, beweglich bleiben.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Verfahren zum Herstellen eines Fluidmoduls, das eine Schicht aufweist, in der eine Fluidkammer mit Einlaß und/oder Auslaß strukturiert ist, und in der ferner eine bzw. mehrere Ventilklappen für Einlaß und/oder Auslaß vorgesehen sind, die in der Ebene der Schicht beweglich sind, um den Einlaß und/oder Auslaß zu verschließen. Das erfindungsgemäße Verfahren weicht somit von bekannten Verfahren ab, bei denen Ventilklappenstrukturen jeweils senkrecht zu der Ebene der Schicht, in der dieselben gebildet sind, beweglich waren. Die erfindungsgemäße Erzeugung und Anordnung von Ventilklappen ermöglicht vorteilhaft die Herstellung von Freistrahldosiermodulen, die ein hohes Kompressionsverhältnis aufweisen, mit sehr wenigen Masken-Prozessen. Neben den beschriebenen Verfahren können auch andere Technologien, beispielsweise die Spritzgusstechnik oder feinwerktechnische Spanverfahren, verwendet werden, um das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul zu erzeugen.
Wie oben erläutert wurde, erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Freistrahldosiermodul das Dosieren auf der Grundlage schneller zeitabhängiger Vorgänge in der Dosierkammer und der Düsenkammer. Bei derartigen Vorgängen hängt der reale, an der Ausstoßöffnung der Düse zur Verfügung stehende Druck von der Reibung und der Trägheit des zu dosierenden Mediums in Düsenkammer und Dosierkammer ab. Genauer gesagt erfolgt ein Druckabfall durch zwischen dem Punkt, an dem die Aktormembran den Druck erzeugt, und der Ausstoßöffnung, wobei der an der Ausstoßöffnung zur Verfügung stehende Druck um diesen Druckabfall geringer ist als der durch die Aktormembran erzeugte Druck. Dieser Druckabfall,ist bei der Einstellung des Kompressionsverhältnisses zu berücksichtigen. Vorteilhaft wird daher das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul so ausgelegt, daß dieser Drucka fall möglichst gering und daher vernachlässigbar ist.
Die oben angesprochene Reibung hängt von der dritten Potenz der Dosierkammerhöhe ab. Um Reibungsverluste möglichst gering zu machen, wäre es daher vorteilhaft, die Dosierkammer mit einer möglichst großen Höhe zu versehen. Um dann jedoch das notwendige Kompressionsverhältnis beibezahlten zu können, muß sichergestellt werden, daß die Aktormembran einen großen Teil des Dosierkammervolumens oder das gesamte Dosierkammervolumen verdrängen kann. Zu diesem Zweck ist der Antrieb aus Membran und Betätigungseinrichtung entsprechend auszulegen. Ferner kann die Form der Dosierkammer derart sein, daß dieselbe an die Form der Aktormembran im ausgelenkten Zustand angepaßt ist.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird daher beispielsweise die Dosierkammerhöhe des bezugnehmend auf die Figuren 5 bis 7 beschriebenen Freistrahldosiermoduls eingestellt, um größer als 10 µm, vorzugsweise größer als 20 µm oder 30 µm, zu sein. Abhängig von der Höhe der Dosierkammer ist der Antrieb zu wählen, um das notwendige Kompressionsverhältnis noch erzeugen zu können, so daß die Dosierkammerhöhe nicht beliebig groß sein kann. Beispielsweise kann bevorzugt ist, die Höhe, d.h. den Abstand zwischen Aktormembran und gegenüberliegender Kammerwand im unbetätigten Zustand, der Dosierkammer unter 50 µm zu wählen.
Bei dem bezugnehmend auf die Figuren 5 bis 7 beschriebenen Verfahren können somit vorzugsweise die Dicken der Schichten 96 und 94 derart gewählt werden, daß die Dosierkammer eine Höhe entsprechend den obigen Ausführungen aufweist. Abhängig von der Dicke der Oxidschicht 94 kann daher vorzugsweise eine Siliziumschicht 96 einer Dicke von mehr als 10 µm und noch vorzugsweiser eine Siliziumschicht 96 mit einer Dicke von mehr als 10 µm und weniger als 50 µm bei dem beschriebenen Verfahren verwendet werden.
Eine Dosierkammerhöhe wie sie oben beschrieben ist, führt jedoch zu einem erhöhten ausgestossenen Dosiervolumen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird der oben beschriebenen Druckabfall gering gehalten, indem die Düse mit der Ausstoßöffnung derselben im wesentlichen mittig der Aktormembran gegenüberliegend angeordnet wird. Beispielsweise könnte bei dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau die Düse mittig unterhalb der Aktormembran angeordnet sein. Eine solche Anordnung ist jedoch auch ohne Ventil zwischen Dosierkammer und Düse, d.h. Ausstoßöffnung derselben, möglich. Mit einem solchen Aufbau sind die oben beschriebenen Reibungsverluste und Trägheitsverluste im wesentlichen minimiert, wobei der Ausstoß kleiner Dosiervolumina möglich ist.
Nachdem, wie die obige Erläuterung zeigt, das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul ausgelegt ist, um selbst bei vollständigem Befüllen desselben mit einem kompressiblen gasförmigen Medium betriebsfähig zu bleiben, ist das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul auch für die Förderung bzw. Dosierung von gasförmigen Medien geeignet.
Oben wurde jeweils ein Freistrahldosiermodul mit einer einzelnen Dosierkammer und einer einzelnen Düsenkammer beschrieben. Ein erfindungsgemäßes Freistrahldosiermodul kann darüber hinaus eine Mehrzahl von Dosierkammern und zugeordneten Düsen aufweisen, die in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Array angeordnet sind, so daß die Düsen eine vorbestimmte Positionsbeziehung zueinander aufweisen. Ein solches Modul mit einem Array einzelner Ausstoßvorrichtungen kann ohne weiteres erzeugt werden, indem eine Vielzahl von Ausstoßvorrichtungen auf Waferebene gleichzeitig erzeugt werden. Beispielsweise können mit dem bezugnehmend auf die Fig. 5 bis 7 beschriebenen Verfahren ein Mehrzahl von in einer Reihe angeordneter Ausstoßvorrichtungen erzeugt werden, deren Einlaßöffnungen und Ausstoßöffnungen dann gemeinsam geöffnet werden. Alternativ können zweidimensionale Arrays erzeugt werden, wobei dann Einlaßöffnungen und Ausstoßöffnungen vorzugsweise nach oben und/oder unten herausgeführt sind.

Claims

Freistrahldosiermodul mit folgenden Merkmalen:
einer Dosierkammer (78; 100) mit einem Dosierkammervolumen;

einer an die Dosierkammer (78; 100) angrenzenden Betätigungseinrichtung (64, 68; 130, 142, 144), die bei Betätigung das Dosierkammervolumen um ein Verdrängungsvolumen reduziert;

einer mit der Dosierkammer (78; 100) fluidmäßig verbundenen Ausstoßöffnung (80; 124), wobei durch einen zwischen der Dosierkammer und der Ausstoßöffnung existierenden Fluidbereich ein Düsenvolumen definiert ist,

wobei die Betätigungseinrichtung (64, 68; 130, 142, 144) ausgelegt ist, um einen solchen Überdruck an der Ausstoßöffnung aufzubauen, um einen Freistrahl abzugeben;

wobei das Verhältnis aus Verdrängungsvolumen und der Summe aus Dosierkammervolumen und Düsenvolumen größer ist als das Verhältnis eines Freistrahldrucks zum Atmosphärendruck, um an der Ausstoßöffnung einen Freistrahl zu erzeugen, selbst wenn ein das Dosierkammervolumen und das Düsenvolumen im wesentlichen ausfüllendes kompressibles gasförmiges Medium vorliegen würde, wobei der Freistrahldruck der in der Dosierkammer notwendige Druck ist, der bei gegebener Ausstoßöffnungsfläche gerade genügt, um die Oberflächenenergie zu erzeugen, um an der Ausstoßöffnung einen Freistrahl zu bewirken.
Freistrahldosiermodul nach Anspruch 1, das ferner eine Zuleitung (84; 112) zum Zuführen eines zu dosierenden Mediums in die Dosierkammer (78; 100) aufweist.
Freistrahldosiermodul nach Anspruch 2, das ferner ein Ventilelement (74; 106) aufweist, um während einer Ausstoßphase einen Fluidfluß durch die Zuleitung (84; 112) zu reduzieren oder zu verhindern.
Freistrahldosiermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner ein Ventilelement (76; 108) zwischen Ausstoßöffnung (124) und Dosierkammer (78; 100) aufweist, um während einer Wiederbefüllungsphase einen Fluidfluß zwischen Ausstoßöffnung und Dosierkammer zu reduzieren oder zu verhindern.
Freistrahldosiermodul nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das jeweilige Ventilelement (74, 76; 106, 108) ein passives Rückschlagventil, ein aktives Ventil oder ein Diffusor-Düsenelement ist.
Freistrahldosiermodul nach Anspruch 4, bei dem das Ventilelement (76; 108) zwischen Ausstoßöffnung (124) und Dosierkammer (100) ein passives Rückschlagventil ist, und bei dem das Verhältnis aus Verdrängungsvolumen und der Summe aus Dosierkammervolumen und Düsenvolumen größer ist als das Verhältnis aus Summe des Freistrahldrucks und zum Öffnen des passiven Rückschlagventils notwendigen Drucks zum Atmosphärendruck.
Freistrahldosiermodul nach Anspruch 2, das ferner ein Fluidreservoir (86) aufweist, das über die Zuleitung (84) mit der Dosierkammer (78) fluidmäßig verbunden ist.
Freistrahldosiermodul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Dosierkammer (78; 100) zumindest teilweise durch eine Ausnehmung in einem Substrat (96) definiert ist, und bei dem das oder die Ventilelemente in der Ebene des Substrats bewegliche, in das Substrat strukturierte Ventilklappen (106, 108) aufweist.
Freistrahldosiermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Dosierkammer und die Betätigungseinrichtung durch eine Mikromembranpumpe (60) gebildet sind, die mit einem Düsenchip (62), in dem eine Düse (80) mit einer Ausstoßöffnung gebildet ist, derart verbunden ist, daß die Ausstoßöffnung mit einem Auslaß der Mikromembranpumpe fluidmäßig verbindbar ist.
Freistrahldosiermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Ausstoßöffnung im wesentlichen der Aktormembran mittig gegenüberliegend angeordnet ist.
Freistrahldosiermodularray mit einer Mehrzahl von Freistrahldosiermodulen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, deren Ausstoßöffnungen in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Array angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines Freistrahldosiermoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Schichtverbundes aus einer ersten Schicht(94) und einer zweiten Schicht (96);

Ätzen zumindest einer Dosierkammerstruktur (100) und einer mit derselben fluidmäßig verbundenen Düsenstruktur (110) bis zur ersten Schicht (94) reichend in der zweiten Schicht (96);

Verbinden einer dritten Schicht (130) mit der zweiten Schicht (96) zur Erzeugung einer Dosierkammer und einer Düsenkammer,

wobei die dritte Schicht eine Dicke aufweist, um eine an die Dosierkammer angrenzende Aktormembran (140) zu definieren, oder wobei die dritte Schicht (130) nach dem Aufbringen derselben prozeßtechnisch behandelt wird, um eine an die Dosierkammer angrenzende Aktormembran (140) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Ätzens einen Schritt eines anisotropen Trockenätzens der zweiten Schicht umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem beim Schritt des Ätzens der zweiten Schicht (96) ferner eine Zuleitungsstruktur (112) für die Dosierkammer in der zweiten Schicht erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem beim Schritt des Ätzens der zweiten Schicht (96) ferner eine Filterstruktur (114, 116) in der Zuleitungsstruktur (112) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, das ferner einen Schritt des Öffnens einer Ausstoßöffnung für die Düsenkammer und/oder einer Einlaßöffnung für die Zuleitung durch Brechen der Schichtstruktur an mindestens einer Sollbruchstelle (122), durch Sägen der Schichtstruktur oder durch Laserschneiden der Schichtstruktur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, das ferner einen Schritt des Öffnens einer Ausstoßöffnung für die Düsenkammer und/oder einer Einlaßöffnung für die Zuleitung durch Erzeugen von Öffnungen durch die erste Schicht und/oder die dritte Schicht aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem das Verbinden von zweiter und dritter Schicht (96, 130) durch ein Waferbonden erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem der bereitgestellte Schichtverbund ferner eine vierte Schicht (92) aufweist, die mit der ersten Schicht (94) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der Schichtverbund aus erster, zweiter und vierter Schicht (92, 94, 96) ein SOI-Wafer oder ein BESOI-Wafer ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem beim Schritt des Ätzens der zweiten Schicht (96) ferner zumindest eine Ventilklappenstruktur (106, 108) und ein durch dieselbe im wesentlichen verschließbarer Fluiddurchlaß (102, 104) in der zweiten Schicht (96) erzeugt wird, und das ferner folgende Schritte aufweist:
Ätzen der ersten Schicht (94) im Bereich der Ventilklappenstruktur (106, 108) zum Erzeugen einer in der Ebene der zweiten Schicht beweglichen Ventilklappenstruktur ; und

Ätzen von Vertiefungen (132) in der dritten Schicht (130), die nach dem Verbinden der zweiten und der dritten Schicht (96, 130) der Ventilklappenstruktur (106, 108) gegenüberliegen, so daß diese nach dem Verbinden von zweiter und dritter Schicht (96, 130) beweglich bleiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, bei dem beim Schritt des Ätzens der zweiten Schicht (96) ferner zumindest eine Ventilklappenstruktur (106, 108) und ein durch dieselbe verschließbarer Fluiddurchlaß (102, 104) in der zweiten Schicht (96) erzeugt wird, das ferner einen Schritt des Ätzens der ersten Schicht (94) im Bereich der Ventilklappenstruktur aufweist, um eine in der Ebene der zweiten Schicht bewegliche Ventilklappenstruktur zu erzeugen, wobei beim Schritt des Verbindens der dritten Schicht mit der zweiten Schicht eine Verbindungsschicht verwendet wird, die im Bereich der Ventilklappenstruktur eine Ausnehmung aufweist, so daß die Ventilklappenstruktur nach dem Verbinden beweglich bleibt.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22 in Rückbezug auf Anspruch 13 oder 14, bei dem beim Schritt des Ätzens der zweiten Schicht (96) ferner eine Zuleitungsstruktur (112) in der zweiten Schicht erzeugt wird, wobei ein verschließbarer Fluiddurchlaß (102) zwischen Dosierkammerstruktur (100) und Zuleitungsstruktur (112) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Schritte 21 bis 23, bei dem ein verschließbarer Fluiddurchlaß (104) mit zugeordneter Ventilklappenstruktur (108) zwischen Dosierkammerstruktur (100) und Düsenstruktur (110) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, das ferner einen Schritt des Anbringens einer Betätigungseinrichtung (144) an der Aktormembran (140), um bei Betätigung ein Volumen der Dosierkammer (100) um ein Verdrängungsvolumen zu reduzieren, aufweist, wobei die Dosierkammer, die Düsenkammer, die Aktormembran und die Betätigungseinrichtung derart dimensioniert sind, daß das Verhältnis aus Verdrängungsvolumen und der Summe eines Volumens der Dosierkammer und eines Volumens der Düsenkammer größer ist als das Verhältnis eines Freistrahldrucks zum Atmosphärendruck, um an der Ausstoßöffnung einen Freistrahl zu erzeugen, selbst wenn ein das Dosierkammervolumen und das Düsenkammervolumen im wesentlichen ausfüllendes kompressibles gasförmiges Medium vorliegen würde, wobei der Freistrahldruck der in der Dosierkammer notwendige Druck ist, der bei einer gegebenen Ausstoßöffnungsfläche einer Ausstoßöffnung der Düsenkammer gerade genügt, um die Oberflächenenergie zu erzeugen, um an der Ausstoßöffnung einen Freistrahl zu bewirken.
Verfahren zum Herstellen eines Freistrahldosiermodularrays mit einer Mehrzahl von Freistrahldosiermodulen, deren Ausstoßöffnungen in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Array angeordnet sind, wobei die jeweiligen Freistrahlmodule mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 25 erzeugt werden.