EP2232070A1 - Method for manufacturing a micropump and micropump - Google Patents

Method for manufacturing a micropump and micropump

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EP2232070A1
EP2232070A1 EP08870391A EP08870391A EP2232070A1 EP 2232070 A1 EP2232070 A1 EP 2232070A1 EP 08870391 A EP08870391 A EP 08870391A EP 08870391 A EP08870391 A EP 08870391A EP 2232070 A1 EP2232070 A1 EP 2232070A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
micropump
carrier layer
valve
front side
Prior art date
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Granted
Application number
EP08870391A
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German (de)
French (fr)
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EP2232070B1 (en
Inventor
Julia Cassemeyer
Michael Stumber
Franz Laermer
Ralf Reichenbach
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making

Abstract

The invention relates to a method for manufacturing a micropump, preferably for the dosed administration of insulin, wherein a plurality of layers are arranged on the front side (V) of a first support layer (1) having a front side (V) and a back side (R), and wherein microfluidic functional elements (12) are formed through the structuring of at least one of the layers. According to the invention, it is provided that the structuring of the at least one layer for the producing of all microfluidic functional elements (12) is accomplished through front side structuring. The invention further relates to a micropump.

Description

Beschreibungdescription
Titeltitle
Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe sowie MikropumpeMethod of manufacturing a micropump and micropump
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Mikropumpe gemäß dem Oberbegriff des An- spruchs 1 sowie eine Mikropumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17.The invention relates to a production method for producing a micropump according to the preamble of claim 1 and to a micropump according to the preamble of claim 17.
Mikropumpen zur kontrollierten und hochgenauen Abgabe von Insulin sind im Grundsatz bekannt. Bisherige Mikropumpen leiden jedoch unter komplexen Herstellungsprozessen mit vielen Nicht-Standardprozessschritten. Die vielen Sonderprozessschritte nach dem bisherigen Stand der Technik machen derartige Mikropumpen teuer und erniedrigen die Fertigungsausbeuten .Micropumps for controlled and highly accurate delivery of insulin are known in principle. However, previous micropumps suffer from complex manufacturing processes with many non-standard process steps. The many special process steps of the prior art make such micropumps expensive and lower the manufacturing yields.
Darüber hinaus sind bekannte Mikropumpen nicht genau genug hinsichtlich der abgegebenen Wirkstoffmengen . Mikropumpen zur Insulinabgabe müssen jedoch sehr präzise mit hoher Dosiergenauigkeit arbeiten, und zwar ohne aufwändige Sensorik zur Erfassung abgegebener Insulinmengen. Eine aktive Flussmessung ist im Zusammenhang mit Insulin sehr problematisch, weil der Stoff auf erhöhte Temperaturen, etwa im Zusammenhang mit sogenannten Heißfilmsensoren zur Flussmessung, schädlich reagiert.In addition, known micropumps are not accurate enough in terms of delivered drug levels. However, micropumps for insulin delivery must work very precisely with high dosing accuracy, without the need for elaborate sensors to detect delivered insulin volumes. An active flow measurement is very problematic in connection with insulin, because the substance reacts to elevated temperatures, such as in connection with so-called hot-film sensors for flow measurement, harmful.
Ein schwerwiegender Nachteil bisheriger Mikropumpen ist zudem die mangelnde Sicherheit: so ist beispielsweise bei Mikropumpen nach dem bisherigen Stand der Technik die abge- gebene Insulinmenge abhängig vom Vordruck im Insulinvorratsbehälter, der, wenn er als flexibler Beutel ausgelegt ist, mechanisch unter Druck gesetzt werden kann. Beispielsweise kann ein Setzen, oder Liegen des Pumpenträgers auf der Insulinmikropumpe den Vorratsbehälter zu einer ungewollten Insulinabgabe, bzw. zu einer ungewollten Erhöhung der gerade abgegebenen Dosis führen. Angesichts der Gefährlichkeit einer Insulinüberdosierung ist dies unter allen Umständen zu vermeiden.A serious disadvantage of previous micropumps is also the lack of security: for example, in micropumps according to the prior art depending on the pre-pressure in the insulin reservoir, which, when designed as a flexible pouch, can be mechanically pressurized. For example, setting, or lying the pump wearer on the insulin micropump the reservoir to an unwanted insulin delivery, or lead to an unwanted increase in the dose just delivered. In view of the dangers of insulin overdose, this should be avoided at all costs.
In der EP 1 651 867 Bl ist ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe beschrieben. Die Fertigung der bekannten Mikropumpe ist äußerst aufwändig, da während des Herstellungsprozesses, bei dem unterschiedliche Siliziumschichten von zwei entgegengesetzten Seiten her strukturiert werden, immer wieder, beispielsweise in den Fig. 3b und 3c der Druckschrift gezeigte, fragile Zwischenzustände entstehen, die aufwändig abgestützt werden müssen, um eine Zerstörung der Mikropumpe bereits bei deren Fertigung zu vermeiden.In EP 1 651 867 Bl a method for producing a micropump is described. The production of the known micropump is extremely complicated, since during the manufacturing process, in which different silicon layers are structured from two opposite sides, again and again, for example in FIGS. 3b and 3c of the document, fragile intermediate states arise, which must be laboriously supported to avoid destruction of the micropump already during their production.
Offenbarung der Erfindung Technische AufgabeDISCLOSURE OF THE INVENTION Technical Problem
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum großtechnischen Herstellen einer Mikropumpe vorzuschlagen, bei dem fragile Zwischenzustände vermieden werden. Darüber hinaus besteht die Aufgabe darin, eine großtechnisch herstellbare Mikropumpe vorzuschlagen.The invention has for its object to propose a method for large-scale manufacturing of a micropump, are avoided in the fragile intermediate states. In addition, the object is to propose a micropump which can be produced on an industrial scale.
Technische LösungTechnical solution
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Mikropumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschrei- bung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß of- fenbart gelten und beanspruchbar sein.This object is achieved with regard to the method having the features of claim 1 and with regard to the micropump solved with the features of claim 17. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims. The scope of the invention also includes all combinations of at least two features disclosed in the description, the claims and / or the figures. In order to avoid repetition, features disclosed according to the method are also to be regarded as disclosed in accordance with the device and to be able to be claimed. Likewise, devices disclosed according to the device should also be disclosed as being in accordance with the method and be claimable.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, sämtliche mikrofluidischen Funktionselemente der Mikropumpe, nämlich mindestens ein Einlassventil, mindestens eine Pumpkammer und mindestens ein Auslassventil, nicht wie im Stand der Technik durch eine Strukturierung mehrerer Schichten von zwei Seiten her herzustellen, sondern sämtliche Funktionselemente der Mikropumpe ausschließlich durch Vorderseiten- strukturierung, also durch eine Strukturierung, insbesondere durch Ätzen, aus nur einer Richtung, nämlich ausgehend von einer Vorderseite einer ersten Trägerschicht auf diese zu zu erzeugen. Anders ausgedrückt wird vorgeschlagen, zum Herstellen der Mikropumpe mindestens einen integralen Träger, nämlich eine erste Trägerschicht vorzu- sehen, auf deren Vorderseite mehrere Schichten angeordnet werden, von denen mindestens eine Schicht zum Herstellen der Funktionselemente strukturiert wird, und zwar nicht von der bevorzugt als Auflage dienenden Rückseite der ersten Trägerschicht her, sondern auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht in Richtung auf die erste Trägerschicht zu. Dabei bleibt die erste Trägerschicht während der Herstellung der Funktionselemente bevorzugt unstrukturiert und sorgt somit für eine absolute Dichtheit zwischen der Vor- derseite der ersten Trägerschicht und der Rückseite der Trägerschicht, mit der die Trägerschicht während der Herstellung der Mikropumpe immer wieder auf einem sogenannten Chuck einer Prozessstation bzw. -anläge aufliegt. Dadurch, dass beim Erzeugen der Funktionselemente die Trägerschicht, vorzugsweise unbeschadet, vorhanden ist, werden fragile Zwischenzustände bei der Herstellung der Mikropumpe mit Vorteil vermieden, wodurch auf Stützfolien, etc. bei der Herstellung verzichtet werden kann und somit die Vorraus- Setzungen für eine großtechnische Herstellung der Mikropumpe geschaffen werden.The invention is based on the idea to produce all microfluidic functional elements of the micropump, namely at least one inlet valve, at least one pumping chamber and at least one outlet valve, not by structuring a plurality of layers from two sides, as in the prior art, but exclusively by all the functional elements of the micropump Front side structuring, so by structuring, in particular by etching, from only one direction, namely, starting from a front side of a first carrier layer to generate them. In other words, it is proposed for producing the micropump to provide at least one integral carrier, namely a first carrier layer, on the front side of which several layers are arranged, of which at least one layer for producing the functional elements is structured, and not as a support serving back side of the first carrier layer, but on the front side of the first carrier layer in the direction of the first carrier layer. In this case, the first carrier layer preferably remains unstructured during the production of the functional elements and thus ensures an absolute tightness between the pre-treatment side of the first carrier layer and the back of the carrier layer, with which the carrier layer rests again and again on a so-called chuck of a process station or -anläge during the production of the micropump. Due to the fact that the carrier layer is present, preferably undamaged, during the production of the functional elements, fragile intermediate states are advantageously avoided in the production of the micropump, whereby support films, etc. can be dispensed with during production and thus the prerequisites for large-scale production the micropump are created.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der, bevorzugt nach dem Herstellen der mikrofluidischen Funktionselemente durch Strukturieren, mindestens einer Schicht, zusätzlich zu der ersten Trägerschicht eine zweite Trägerschicht vorgesehen wird. Besonders bevorzugt handelt es sich hierbei um einen Borosilikatglaswafer , der mit Abstand zu der ersten Trägerschicht auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht angeordnet wird, wodurch die auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht angeordneten, zumindest teilweise, strukturierten Schichten sandwichartig zwischen der ersten und der zweiten Trägerschicht eingeschlossen werden. Bevorzugt erfolgt das Festlegen der zweiten Trägerschicht durch anodisches Bonden, insbesondere auf der Oberfläche der von der ersten Trägerschicht am weitesten entfernten, vorzugsweise, strukturierten Schicht. Dabei ist eine Ausführungsform besonders bevorzugt, bei der die Flüssigkeitszuleitung zum Einlassventil und/oder die Flüssig- keitsableitung vom Auslassventil, insbesondere senkrecht, durch die zweite Trägerschicht erfolgt, wobei hierzu in der zweiten Trägerschicht mindestens ein Fluidkanal, vorzugsweise zwei Fluidkanäle, vorzusehen sind/ist. Dabei ist es möglich, die Fluidkanäle nach dem Festlegen der zweiten Trägerschicht in diese einzubringen. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der der mindestens eine Fluidka- nal bereits vor dem Festlegen der zweiten Trägerschicht in diese, beispielsweise durch Ätzen, oder durch Laserbe- schuss, oder durch Bohren z.B. mittels eines Diamantbohrers, oder durch Ultraschallbohren eingebracht ist. Besonders bevorzugt ist die zweite Trägerschicht derart angeordnet, dass diese unmittelbar mit einem Einlassventil und/oder einem Auslassventil der Mikropumpe zusammenwirkt und/oder die mindestens eine, vorzugsweise die ausschließlich eine, Pumpkammer unmittelbar, insbesondere auf der der Pumpenmembran gegenüberliegenden Seite, begrenzt.Particularly preferred is an embodiment of the invention in which, preferably after the production of the microfluidic functional elements by structuring, at least one layer, in addition to the first carrier layer, a second carrier layer is provided. This is particularly preferably a borosilicate glass wafer which is arranged at a distance from the first carrier layer on the front side of the first carrier layer, whereby the at least partially structured layers arranged on the front side of the first carrier layer are sandwiched between the first and the second carrier layer become. Preferably, the setting of the second carrier layer by anodic bonding, in particular on the surface of the farthest from the first carrier layer, preferably, structured layer. In this case, an embodiment is particularly preferred in which the liquid feed to the inlet valve and / or the liquid keitsableitung from the outlet valve, in particular perpendicular, carried by the second carrier layer, for this purpose in the second carrier layer at least one fluid channel, preferably two fluid channels, are / is provided , That's it possible to introduce the fluid channels after setting the second carrier layer in this. However, an embodiment is preferred in which the at least one fluid channel is already introduced before the second carrier layer is fixed in the latter, for example by etching or by laser bombardment, or by drilling, for example by means of a diamond drill, or by ultrasonic drilling. Particularly preferably, the second carrier layer is arranged such that it interacts directly with an inlet valve and / or an outlet valve of the micropump and / or the at least one, preferably the only one, pumping chamber directly, in particular on the pump membrane opposite side limited.
Durch das Vorsehen einer zweiten Trägerschicht, also eines zweiten integralen Trägers bzw. einer zweiten integralen Stützschicht ist es möglich, die erste Trägerschicht (nach dem Anordnen der zweiten Trägerschicht) zu entfernen und somit minimale Abmessungen der Mikropumpe zu realisieren und gleichzeitig, bei einer entsprechenden Anordnung des Einlassventils und/oder der Pumpkammer und/oder des Auslassventils, Platz zu schaffen für die Anordnung von, insbesondere als Piezoaktuatoren ausgebildeten, Aktuatoren für die Mikropumpe. Das Entfernen der ersten Trägerschicht kann beispielsweise durch isotropes Ätzen, z.B. Plasmaätzen, und/oder durch Rückschleifen und/oder durch Nassätzen erfolgen. Bevorzugt wird nach dem Entfernen der ersten Trägerschicht auch eine bevorzugt mittelbar auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht angeordnete, später noch zu er- läuternde Ätzstoppschicht entfernt, sodass etwaige Aktuatoren unmittelbar auf die auf der Vorderseite der Ätzstoppschicht vorgesehene Schicht zum Steuern des Pumpvorgangs einwirken können. Bezüglich einer bevorzugten Vorgehenswei- se zur Entfernung der ersten Trägerschicht wird auf die Figurenbeschreibung verwiesen.By providing a second carrier layer, ie a second integral carrier or a second integral support layer, it is possible to remove the first carrier layer (after arranging the second carrier layer) and thus to realize minimum dimensions of the micropump and at the same time, with a corresponding arrangement the inlet valve and / or the pumping chamber and / or the outlet valve to make room for the arrangement of, in particular designed as a piezoactuators, actuators for the micropump. The removal of the first carrier layer can be effected, for example, by isotropic etching, for example plasma etching, and / or by back grinding and / or by wet etching. After the removal of the first carrier layer, an etch stop layer, which is preferably arranged indirectly on the front side of the first carrier layer and is to be explained later, is also removed so that any actuators can act directly on the layer provided on the front side of the etch stop layer for controlling the pumping process. With regard to a preferred procedure For removing the first carrier layer, reference is made to the description of the figures.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Herstel- lungsverfahrens, bei dem die erste Trägerschicht während der Vorderseitenstrukturierung mindestens einer vor der ersten Trägerschicht angeordneten, also auf deren Vorderseite befindlichen Schicht, also zumindest während der Herstellung sämtlicher mikrofluidischer Funktionselemente un- strukturiert bleibt. Dies ist insbesondere deshalb möglich, da die Strukturierung der Schichten ausschließlich auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht erfolgt.Particularly preferred is an embodiment of the production method in which the first carrier layer remains unstructured during the front side structuring of at least one layer arranged in front of the first carrier layer, ie on its front side, ie at least during the production of all microfluidic functional elements. This is possible in particular because the structuring of the layers takes place exclusively on the front side of the first carrier layer.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Herstel- lungsverfahrens, bei der die erste Trägerschicht aus einer Silizium enthaltenden Schicht, insbesondere einer Siliziumschicht, besteht. Dabei ist es denkbar, als erste Trägerschicht einen Siliziumwafer einzusetzen.Particularly preferred is an embodiment of the production method in which the first carrier layer consists of a silicon-containing layer, in particular a silicon layer. It is conceivable to use a silicon wafer as the first carrier layer.
Wird als erste Trägerschicht ein Siliziumwafer eingesetzt, wird unmittelbar auf den Siliziumwafer eine, vorzugsweise Siliziumoxid enthaltende, untere Stoppschicht aufgebracht. Bevorzugt handelt es sich dabei um ein thermisches Oxid. Besonders bevorzugt ist es, an geeigneter Stelle mindestens ein Kontaktloch für eine elektrische Kontaktierung ausgehend von der ersten Trägerschicht zu nachfolgend aufgebrachtem Silizium zu ermöglichen. Dieser elektrische Kontakt ist vorteilhaft für ein späteres, zuvor erwähntes, anodisches Bonden einer zweiten Trägerschicht, wobei ein Stromfluss für das Eingehen einer hochfesten Verbindung zu der vorzugsweise als Glassubstrat ausgebildeten zweiten Trägerschicht erforderlich wird. Wird die Stoppschicht unmittelbar auf der ersten Trägerschicht mit mindestens einem Kontaktloch versehen, so ist bevorzugt darauf zu achten, dass sich oberhalb des mindestens einen Kontaktlochs ein Stoppschichtabschnitt befindet, um, falls die erste Trägerschicht später nach dem Herstellen der Funktionselemente durch Ätzen entfernt werden soll, der Ätzvorgang in einem Bereich oberhalb des mindestens einen Kontaktlochs sicher gestoppt wird, d.h. immer auf eine Stoppschicht trifft: entweder eine noch zu erläuternde "untere" Stoppschicht, oder eine noch zu erläuternde "obere" Stoppschicht (Opfer- schicht) .If a silicon wafer is used as the first carrier layer, a lower stop layer, preferably containing silicon oxide, is applied directly to the silicon wafer. This is preferably a thermal oxide. It is particularly preferred, at a suitable location, to allow at least one contact hole for electrical contacting, starting from the first carrier layer to subsequently applied silicon. This electrical contact is advantageous for a later, previously mentioned, anodic bonding of a second carrier layer, wherein a current flow for entering a high-strength connection to the preferably formed as a glass substrate second carrier layer is required. Will the stop layer directly on the first carrier layer with at least one Provided contact hole, so it is preferable to make sure that above the at least one contact hole is a stop layer portion, if the first carrier layer is to be removed later after the production of the functional elements by etching, the etching in a region above the at least one contact hole sure is stopped, ie always meets a stop layer: either a yet to be explained "lower" stop layer, or even to be explained "upper" stop layer (sacrificial layer).
Auf die genannte Stoppschicht, die unmittelbar auf der ersten Trägerschicht angeordnet ist, wird in Weiterbildung der Erfindung bevorzugt eine Basisschicht angeordnet, die be- vorzugt Silizium enthält oder aus Silizium besteht. Diese Basisschicht bildet gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Grund- oder Basisschicht der fertigen Mikropumpe, die unmittelbar von später noch zu erläuternden Aktuatoren beaufschlagt wird. Besonders bevorzugt werden in dieser Ba- sisschicht keine Funktionselementstrukturen vorgesehen.On the said stop layer, which is arranged directly on the first carrier layer, a base layer is preferably arranged in the development of the invention, which preferably contains silicon or consists of silicon. According to a preferred embodiment, this base layer forms the base or base layer of the finished micropump, which is acted upon directly by actuators which will be explained later. Particularly preferably, no functional element structures are provided in this base layer.
Wird nicht von einem Siliziumwafer als erster Trägerschicht zur Herstellung der Mikropumpe ausgegangen, ist es alternativ möglich, einen Silicone-On-Insulator-Wafer (SOI-Wafer) einzusetzen, wobei die erste Trägerschicht integraler Bestandteil des SOI-Wafers ist und die Rückseite des SOI- Wafers bildet. Bei einer derartigen Ausgangslage kann auf das Aufbringen der erwähnten Stoppschicht und der erwähnten Basisschicht verzichtet werden, da diese bereits integraler Bestandteil des SOI-Waferaufbaus sind. Um, falls ein Verbinden einer zweiten Trägerschicht durch anodisches Bonden beabsichtigt ist, die benötigte Spannung anlegen zu können, ist es erforderlich, geeignete Kontaktiermittel bereitzu- stellen, um z.B. die Stromzufuhr direkt an die vordere SOI- Waferschicht (insbesondere die Basisschicht) über den Wa- ferrand, beispielsweise durch Klammern oder Federkontakte zu ermöglichen. Dies ist notwendig, da bei einem SOI-Wafer üblicherweise in der enthaltenen Stoppschicht kein Kontaktloch vorgesehen ist.If it is not assumed that a silicon wafer is used as the first carrier layer for producing the micropump, it is alternatively possible to use a silicone-on-insulator wafer (SOI wafer), the first carrier layer being an integral part of the SOI wafer and the back side of the SOI - Wafers forms. In such a starting position can be dispensed with the application of the mentioned stop layer and the mentioned base layer, since they are already an integral part of the SOI wafer structure. In order, if a connection of a second carrier layer by anodic bonding is intended to be able to apply the required voltage, it is necessary to provide suitable contacting means. For example, in order to enable the power supply directly to the front SOI wafer layer (in particular the base layer) over the wafer edge, for example by means of clamps or spring contacts. This is necessary because in a SOI wafer usually no contact hole is provided in the contained stop layer.
Bevorzugt wird die Basisschicht als epitaktisch hergestelltes polykristallines Silizium (EpiPoly-Siliziumschicht) ausgebildet, wobei die Dicke bevorzugt im Bereich von etwa 11 μm liegt. Die Basisschicht kann optional, beispielsweise durch sogenanntes CMP (chemisch-mechanisches Polieren) , planarisiert, also poliert werden.Preferably, the base layer is formed as epitaxially produced polycrystalline silicon (EpiPoly silicon layer), wherein the thickness is preferably in the range of about 11 microns. The base layer can optionally, for example by so-called CMP (chemical-mechanical polishing), planarized, that is polished.
Unabhängig von der gewählten Ausgangslage (Siliziumwafer oder SOI-Wafer) wird auf die Basisschicht in Weiterbildung der Erfindung eine (obere) , als Opferschicht dienende, Stoppschicht abgeschieden und so strukturiert, dass auf ausgewählten Flächen eine bevorzugt dicke Stoppschicht (Op- ferschicht) stehen bleibt. Besonders bevorzugt enthält die Stoppschicht Siliziumoxid oder besteht daraus. Anstelle der Strukturierung der Stoppschicht nach deren Aufbringen ist es auch denkbar die Stoppschicht gezielt nur in spezifischen Flächenbereichen aufzubringen. Flächenbereiche, in denen, insbesondere nach einer entsprechenden Strukturierung, die Stoppschicht stehen bleibt, wird während späterer Fertigungsschritte ein Ätzprozess, insbesondere ein Silizi- umplasma-Ätzprozess, gestoppt. Nachfolgend kann die Stoppschicht (hier Opferschicht) selektiv entfernt werden (daher die Bezeichnung "Opferschicht") , beispielsweise um freitragende, bewegliche Funktionselementstrukturen zu erzeugen. Wie erwähnt, besteht die Stoppschicht bevorzugt aus Oxid und kann beispielsweise zwischen etwa 4 und 5μm dick sein. In der Fertigungsvariante "SOI-Wafer" kann beispielsweise ein thermisches Oxid bis zu einer Dicke von etwa 2,5μm aufgewachsen und darüber noch ein etwa l,8μm dickes Oxid abgeschieden werden, etwa in der Form von TEOS oder Plasmaoxid, was in Summe eine Oxiddicke von 4,3μm ergibt. In der Variante "Silizium-Wafer" wird bevorzugt auf eine thermische Oxidation verzichtet, da hierdurch nicht tolerierbare Stressgradienten in die Basisschicht (vorzugsweise EpiPoly- Silizium) eingetragen würden, und die weitere Verwendung als mechanisches Schichtmaterial unmöglich machen würden. Für den Fall "Silizium-Wafer" erfolgt die Abscheidung der vollen Oxiddicke bevorzugt als TEOS oder Plasmaoxid.Regardless of the selected starting position (silicon wafer or SOI wafer), a (top), serving as sacrificial layer, stop layer is deposited on the base layer in a further development and structured such that a preferably thick stop layer (sacrificial layer) remains on selected surfaces , Particularly preferably, the stop layer contains or consists of silicon oxide. Instead of structuring the stop layer after it has been applied, it is also conceivable to apply the stop layer selectively only in specific surface areas. Area regions in which, in particular after a corresponding structuring, the stop layer remains stationary, an etching process, in particular a silicon plasma etching process, is stopped during later production steps. Subsequently, the stop layer (here sacrificial layer) can be selectively removed (hence the term "sacrificial layer"), for example to produce self-supporting, movable functional element structures. As mentioned, the stop layer preferably consists of oxide and may for example be between about 4 and 5 μm thick. In the production variant "SOI wafer", for example, a thermal oxide grown to a thickness of about 2.5 microns and about an even l, 8 .mu.m thick oxide are deposited, such as in the form of TEOS or plasma oxide, which in total an oxide thickness of 4.3μm. In the variant "silicon wafer" is preferably dispensed with a thermal oxidation, as this would not tolerable stress gradients in the base layer (preferably EpiPoly silicon) would be registered, and would make further use as a mechanical layer material impossible. In the case of "silicon wafers", the deposition of the full oxide thickness is preferably carried out as TEOS or plasma oxide.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das, insbesondere unmittelbar, auf der Vorderseite der auf der Basisschicht bereichsweise angeordneten Stoppschicht sowie in den nicht von der Stoppschicht erfassten Bereichen der Basisschicht eine Funktionsschicht angeordnet wird. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine EpiPoly- Siliziumschicht, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen etwa 15 und 24μm. Insbesondere dann, wenn auf der Oberfläche der Funktionsschicht später anodisch gebondet werden muss (zweite Trägerschicht) ist eine Planarisierung der Oberfläche, etwa durch ein CMP-Verfahren besonders bevorzugt und zwar unabhängig davon, ob bereits vorangehend die Basisschicht (entweder aufgebracht auf eine Stoppschicht oder Bestandteil eines SOI-Waferaufbaus) planarisiert wurde. Der Planarisierungsschritt muss die Topographie der Oberfläche der Funktionsschicht einebnen und die Flächen für eine Bon- düng mikroskopisch "glätten".In a development of the invention, it is advantageously provided that the, in particular directly, a functional layer is arranged on the front side of the stop layer arranged in regions on the base layer and in the regions of the base layer not covered by the stop layer. This is preferably an EpiPoly silicon layer, preferably with a thickness between about 15 and 24 μm. In particular, if laterally anodic bonding is required on the surface of the functional layer (second carrier layer), planarization of the surface, for example by a CMP process, is particularly preferred regardless of whether the base layer has already been applied (either applied to a stop layer or component) an SOI wafer structure) has been planarized. The planarization step must level the topography of the surface of the functional layer and microscopically "flatten" the surfaces for bonding.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass in die Vorderseite der Funktionsschicht mindestens ei- ne Vertiefung eingebracht wird, vorzugsweise mit einer Tiefe zwischen etwa 2 und 5μm, um in diesem Bereich einen Kontakt mit der zu bondenden zweiten Trägerschicht zu vermeiden, insbesondere weil bevorzugt mit mindestens einem ver- tieften Bereich mindestens ein bewegliches Funktionselement verbunden ist.In a development of the invention, it is advantageously provided that at least one A depression is introduced, preferably with a depth of between about 2 and 5 μm, in order to avoid contact with the second carrier layer to be bonded in this region, in particular because at least one movable functional element is preferably connected to at least one recessed region.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der auf der Vorderseite der Funktionsschicht, vorzugsweise in mindestens einem von mindestens einer Vertiefung umgebenen Bereich, mindestens eine Antibond-Schicht als Ventildichtfläche aufgebracht wird. Die Antibond-Schicht muss derart beschaffen sein, dass sie bei einem anodischen Bondvorgang, bei dem die zweite Trägerschicht an der Funktionsschicht festgelegt wird, nicht an der zweiten Trägerschicht anhaftet. Beispielsweise kann die Antibond-Schicht in Form von Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid oder Graphit, etc. ausgebildet werden. Zusätzlich oder alternativ zu dem Vorsehen mindestens einer Antibond-Schicht auf der Vorderseite der Funktionsschicht ist es möglich, insbesondere im Bereich des Einlass- und/oder des Auslassventils mindestens eine Antibond-Schicht auf der zweiten Trägerschicht vorzusehen, die ein Anhaften der zweiten Trägerschicht an der Funktionsschicht auch bei einem anodischen Bondprozess sicher verhindert.Of particular advantage is an embodiment in which at least one anti-bonding layer is applied as a valve sealing surface on the front side of the functional layer, preferably in at least one region surrounded by at least one depression. The anti-bonding layer must be such that it does not adhere to the second carrier layer in an anodic bonding operation in which the second carrier layer is attached to the functional layer. For example, the anti-bonding layer may be formed in the form of silicon nitride or silicon carbide or graphite, etc. In addition to or as an alternative to the provision of at least one antibonding layer on the front side of the functional layer, it is possible to provide at least one antibonding layer on the second carrier layer, in particular in the area of the inlet and / or outlet valve, which adhere the second carrier layer to the second carrier layer Functional layer safely prevented even in an anodic bonding process.
Bevorzugt wird die Funktionsschicht, beispielsweise durch Trench-Ätzen, so strukturiert, dass in der Funktionsschicht, zumindest teilweise, eine Einlassventilstruktur und/oder eine Pumpenstruktur und/oder eine Auslassventilstruktur erzeugt werden, also zumindest teilweise Funktionselemente der Mikropumpe geschaffen werden. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, bei der die erzeugte Einlassventilstruktur und/oder die Auslassventilstruktur mindestens einen Spiralfederabschnitt umfassen. Dabei trägt die mindestens eine Spiralfeder bevorzugt den Ventilstempel des jeweiligen Ventils. Es können auch mehrere, beispielsweise zwei bis fünf, derartiger Spiralfedern, bevorzugt drei Spiralfedern, so ineinander geschachtelt werden, dass der zentrale Ventilstempel völlig symmetrisch von diesen gehalten wird und sich jeglicher Eigenspannung in den Federn durch eine minimale Verdrehung des Ventilstempels vollständig abbauen kann. Durch die relativ großen Federlängen wird dabei eine weiche Aufhängung des zentralen Ventilstempels in Z-Richtung (also senkrecht zur Flächenerstreckung der ers- ten und zweiten Trägerschicht) realisiert, wobei die Federhöhe nahezu der gesamten Funktionsschichthöhe entspricht. In diesem Zustand sitzt der mindestens eine Einlassventilstempel und/oder der mindestens eine Auslassventilstempel noch fest auf der unterhalb der Funktionsschicht ange- ordneten Stopp- bzw. Opferschicht.The functional layer is preferably structured, for example by trench etching, in such a way that an inlet valve structure and / or a pump structure and / or an outlet valve structure are produced in the functional layer, at least partially, thus functional elements of the micropump are at least partially created. Particularly preferred is an embodiment of the manufacturing method, wherein the generated intake valve structure and / or the Auslaßventilstruktur comprise at least one spiral spring portion. The at least one coil spring preferably carries the valve stem of the respective valve. It can also several, for example, two to five, such coil springs, preferably three coil springs, are nested in one another, that the central valve stem is held completely symmetrical of these and can completely degrade any residual stress in the springs by a minimal rotation of the valve stem. Due to the relatively large spring lengths, a soft suspension of the central valve stem in the Z direction (ie perpendicular to the surface extension of the first and second carrier layer) is realized, the spring height corresponding to almost the entire functional layer height. In this state, the at least one inlet valve punch and / or the at least one outlet valve punch still sits firmly on the stop or sacrificial layer arranged below the functional layer.
Insbesondere um den Einlassventilstempel in Z-Richtung verstellbar zu machen und/oder die Pumpkammer und/oder die Auslassventilkammer zu vergrößern, wird in Weiterbildung der Erfindung bevorzugt die an die Funktionsschicht angrenzende (obere) als Opferschicht dienende Stoppschicht, beispielsweise mit Hilfe von flüssiger oder dampfförmiger Flusssäure in an sich bekannter Weise entfernt. Nach diesem Ätzvorgang ist die Funktionseinheit "Einlassventil" frei beweglich und kann somit in Z-Richtung ausgelenkt werden. Der Abstand der mindestens einen Spiralfeder zur Basis- Schicht entspricht nun bevorzugt der Dicke der zuvor entfernten Stoppschicht (Opferschicht) von vorzugsweise etwa 4 bis 5 μm. Es ist vorteilhaft, dass bei dem beschriebenen Ätzprozess möglichst viele Bereiche der erwähnten Stoppschicht mit entfernt werden, da diese später unerwünschte Druckspannungen in den mechanischen Aufbau der Mikropumpe eintragen würden.In particular, in order to make the inlet valve plunger adjustable in the Z direction and / or to enlarge the pumping chamber and / or the outlet valve chamber, in a further development of the invention, the stop layer adjacent to the functional layer (upper) serves as the sacrificial layer, for example with the aid of liquid or vapor Hydrofluoric acid removed in a conventional manner. After this etching process, the functional unit "inlet valve" is freely movable and can thus be deflected in the Z direction. The distance between the at least one spiral spring and the base layer now preferably corresponds to the thickness of the previously removed stop layer (sacrificial layer) of preferably approximately 4 up to 5 μm. It is advantageous that in the described etching process as many areas of the mentioned stop layer are removed as they would later enter undesired compressive stresses into the mechanical structure of the micropump.
Die Erfindung führt auch auf eine Mikropumpe, insbesondere zum hochgenauen Fördern von Insulin, wobei die Mikropumpe mehrere Funktionselemente, wie mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil und mindestens eine Pumpkammer aufweist. Eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Mikropumpe zeichnet sich dadurch aus, dass sämtliche derartige Funktionselemente der Mikropumpe ausschließlich durch Strukturierung von Schichten aus einer Richtung hergestellt sind. Anders ausgedrückt werden die Funktionselemente nicht durch zweiseitige Strukturierungsprozesse, sondern lediglich durch Strukturierungsprozesse erzeugt, die von einer Richtung und von einer Seite her erfolgen. Hierdurch können fragile Fertigungszustände vermieden wer- den und die Mikropumpe somit großtechnisch mit hoher Ausbeute hergestellt werden.The invention also leads to a micropump, in particular for the highly precise delivery of insulin, the micropump having a plurality of functional elements, such as at least one inlet valve and at least one outlet valve and at least one pumping chamber. A micropump designed according to the concept of the invention is characterized in that all such functional elements of the micropump are produced exclusively by structuring layers from one direction. In other words, the functional elements are not generated by two-sided structuring processes, but merely by structuring processes that take place from one direction and one side. As a result, fragile production conditions can be avoided and the micropump can thus be produced on a large scale with high yield.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Mikropumpe eine Trägerschicht, insbesondere aus Borosilikatglas, auf, in der mindestens ein Fluidkanal, insbesondere ein Einlasskanal und/oder ein Auslasskanal, eingebracht sind/ist. Bevorzugt begrenzt die Trägerschicht zusätzlich die Pumpkammer unmittelbar .In a development of the invention, the micropump has a carrier layer, in particular of borosilicate glass, in which at least one fluid channel, in particular an inlet channel and / or an outlet channel, is / are introduced. Preferably, the carrier layer additionally limits the pumping chamber directly.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das mindestens eine, vorzugsweise das ausschließlich eine Einlassventil, mindestens eine Spiralfeder umfasst, die derart angeordnet ist, dass sie eine in Z-Richtung weiche Aufhängung des Ventilstempels des Einlassventils gewährleistet. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform mit mehreren ineinander verschachtelten Spiralfedern, um unerwünschten Materialstress abbauen zu können.Of particular advantage is an embodiment of the invention in which the at least one, preferably exclusively an inlet valve, comprises at least one spiral spring, which is arranged such that it has an in Z direction ensures soft suspension of the valve stem of the intake valve. Particularly preferred is an embodiment with several nested spiral springs in order to reduce unwanted material stress can.
Im Hinblick auf einen Einsatz der Mikropumpe als Insulin- Förderpumpe zur hochgenauen Insulindosierung ist eine Ausführungsform besonders bevorzugt, bei der das Einlassventil der Mikropumpe mittels mindestens eines Aktuators, vorzugsweise eines Piezoaktuators, aktiv abdichtbar ist, also eine Ausführungsform, bei der das Einlassventil der Mikropumpe durch eine entsprechende Aktivierung mindestens eines Aktuators geschlossen gehalten werden kann, um somit einen In- sulineintritt in die Mikropumpe selbst für den Fall zu verhindern, dass der Insulinvorrat selbst mit Druck beaufschlagt wurde. Anders ausgedrückt wird das Fördervolumen der Mikropumpe hierdurch unabhängig vom Vordruck im Insulinvorratsbehältnis. Hierdurch kann eine hohe Dosiergenau- igkeit erreicht werden. Durch die beschriebene Ausführungsform werden vor allem unerwünschte Wirkstoff-Flüsse bzw. Rückflüsse von einer geforderten Dosiermenge unterdrückt und die Dosierabgabe streng an ein sogenanntes "Stroke- Volumen", das ist die Menge, die einem Pumpenstoß bzw. "Stroke" entspricht, gekoppelt.With regard to use of the micropump as an insulin delivery pump for high-precision insulin dosing an embodiment is particularly preferred in which the inlet valve of the micropump by means of at least one actuator, preferably a piezoactuator, is actively sealable, so an embodiment in which the inlet valve of the micropump by a corresponding activation of at least one actuator can be kept closed so as to prevent insulin entry into the micropump even in the event that the insulin reservoir itself has been pressurized. In other words, the delivery volume of the micropump is thereby independent of the admission pressure in the insulin storage container. As a result, a high dosing accuracy can be achieved. The described embodiment suppresses, in particular, unwanted active substance flows or refluxes of a required metered quantity and the metering discharge is strictly coupled to a so-called "stroke volume", which is the quantity corresponding to a pump stroke or "stroke".
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der eine, insbesondere an einem Ventilstempel angeordnete, Ventildichtfläche des Einlassventils mittels mindestens eines Aktuators gegen die Trägerschicht pressbar ist um somit ein ungewolltes Einströmen von Fluid, insbesondere Insulin in die Mikropumpe zu vermeiden. Bevorzugt ist auch eine Ventildichtfläche eines Auslassventils mittels mindestens eines Aktuators aktiv gegen die Trägerschicht pressbar.An embodiment is preferred in which a valve sealing surface of the inlet valve, in particular arranged on a valve stem, can be pressed against the carrier layer by means of at least one actuator so as to avoid undesired inflow of fluid, in particular insulin, into the micropump. Also preferred is a valve sealing surface an exhaust valve by means of at least one actuator actively pressed against the carrier layer.
Im Folgenden wird die Funktionsweise eines bevorzugten Aus- führungsbeispiels einer Mikropumpe beschrieben: Bevorzugt wird die Mikropumpe inklusive eines Wirkstoffvorrats (vorzugsweise eines Insulinvorrats) und ggf. auch angeschlossener Injektionsnadel oder Mikronadelarray vorzugsweise als sogenanntes "Disposable" - ein Wegwerfartikel - in eine Vorrichtung montiert, insbesondere eingeklippst, die für den Endbenutzer die sogenannte "Pumpe" darstellt. Die "Pumpe" enthält bevorzugt die Steuerelektronik, die Energieversorgung z.B. durch Batterien oder Akkumulatoren, ein Benutzer-Interface und/oder eine drahtlose Schnittstelle zu ei- nem Benutzer-Interface oder zu einer telemedizinischen Einrichtung, oder eventuell auch eine drahtlose Schnittstelle zu einer Blutzuckerwertbestimmungseinrichtung, die gemessene Blutzuckerdaten an die "Pumpe" zur weiteren Verarbeitung übermittelt. Die "Pumpe" enthält bevorzugt auch die Aktua- toren der Mikropumpe. Hierbei handelt es sich um bis zu drei Aktuatoren, bevorzugt um drei Aktuatoren, die an dafür vorgesehenen Stellen auf die Mikropumpe einwirken, bevorzugt auf das Einlassventil, auf die Pumpenmembran (also auf die Pumpkammer) und auf das Auflassventil . Die bis zu drei Aktuatoren können bevorzugt in Form von sogenannten Pie- zostacks ausgeführt werden, d.h. Anordnungen von kaskadenartig hintereinander geschalteten piezoelektrischen Scheiben oder Einzelelementen zu jeweils einem Piezoaktuator, der sich durch eine angelegte elektrische Spannung in sei- ner Länge verkürzt oder verlängert, je nach Polung der e- lektrischen Spannung relativ zur Polarisation der Piezoele- mente . Zunächst wird die Pumpenfunktion mit einer Anordnung aus drei Aktuatoren beschrieben, obwohl es auch möglich ist, auf einzelne Aktuatoren zu verzichten und die entsprechende, damit verbundene Teilfunktion oder zusätzliche Sicher- heit aufzugeben.The method of operation of a preferred exemplary embodiment of a micropump is described below. Preferably, the micropump, including an active ingredient supply (preferably an insulin supply) and possibly also connected injection needle or microneedle array, is preferably mounted as a so-called "disposable" - a disposable item - in a device, in particular clipped, which represents the so-called "pump" for the end user. The "pump" preferably contains the control electronics, the energy supply eg by batteries or accumulators, a user interface and / or a wireless interface to a user interface or to a telemedical device, or possibly also a wireless interface to a blood glucose value determination device, sends the measured blood glucose data to the "pump" for further processing. The "pump" preferably also contains the actuators of the micropump. These are up to three actuators, preferably three actuators, which act on the micropump at locations provided for this purpose, preferably on the inlet valve, on the pump membrane (ie on the pumping chamber) and on the outlet valve. The up to three actuators can preferably be embodied in the form of so-called piezo-stacks, ie arrangements of piezoelectric disks or individual elements connected in cascade fashion one behind the other to a piezoactuator which shortens or lengthens by an applied electrical voltage in its length, as appropriate Polarity of the electrical voltage relative to the polarization of the piezoelements. First, the pumping function will be described with an arrangement of three actuators, although it is also possible to dispense with individual actuators and give up the corresponding associated subfunction or additional safety.
Nach der Montage der Mikropumpe in der dafür vorgesehenen Aufnahmevorrichtung („Pumpe") werden die Aktuatoren konditioniert, d.h. einmal in eine definierte Position gebracht und dort fixiert:After the micropump has been mounted in the receiving device ("pump") provided for this purpose, the actuators are conditioned, that is, brought once into a defined position and fixed there:
• Sodass ein erster Aktuator auf eine Membran (vorzugsweise Basisschicht) unter dem Einlassventilstempel drückt und über diese Membran das Einlassventil gegen die zweite Trägerschicht geschlossen und blockiert wird,• So that a first actuator presses on a membrane (preferably base layer) under the inlet valve punch and closed via this membrane, the inlet valve against the second carrier layer and is blocked,
• sodass ein zweiter Aktuator auf der Membran (vorzugsweise Basisschicht) der Mikropumpe gerade eben aufliegt und so deren "Ausgangslage" definiert, oder alternativ einfach die Membran bis zum von der zweiten Trägerschicht gebildeten Anschlag durchdrückt;• So that a second actuator on the membrane (preferably base layer) of the micropump just rests and so defines their "starting position", or alternatively simply pushes the membrane to the stop formed by the second carrier layer;
• sodass ein dritter Aktuator auf den Bereich des Aus- lassventilstempels (insbesondere auf die Basisschicht) drückt und diesen gegen die zweite Trägerschicht schließt und blockiert.• so that a third actuator presses on the area of the outlet valve punch (in particular on the base layer) and closes and blocks it against the second carrier layer.
Das Konditionieren kann manuell oder bevorzugt automatisch (beispielsweise motorgetrieben) erfolgen, indem z.B. ein Aktuatorblock, umfassend die drei relativ zueinander positionierten Aktuatoren, als eine Einheit nach vorne bewegt, solange bis z.B. eine Resonanzsequenzänderung eines der Ak- tuatoren (vorzugsweise des Piezostacks) anzeigt, dass eine Berührung mit der Mikropumpe, insbesondere der Basisschicht oder eine Krafteinwirkung auf die Aktuatoren stattfindet. Da der Aktuatorblock vorteilhaft als eine Einheit vorwärts bewegt wird und die einzelnen Aktuatoren aus dem Block zuvor vom Hersteller relativ zueinander richtig positioniert wurden, genügt die Messung an einem einzigen Aktuator, insbesondere an einem einzigen Piezoelement, um zu erkennen, dass die gesamte Anordnung die richtige Lage erreicht hat. Z.B. ist die Berührung der eigentlichen Pumpenmembran (vorzugsweise Basisschicht) durch den zweiten Aktuator über dessen Schwingungsverhalten bei elektrischer Resonanzanregung sehr leicht zu detektieren. Kerngedanke dieses Kondi- tionierverfahrens ist es, dass wenn nur ein Aktuator in seiner Soll-Position vorgeschoben wird, auch automatisch die Soll-Positionen der anderen Aktuatoren stimmen, weil sie auf dem Aktuatorblock relativ zueinander einjustiert worden sind. Besonders einfach, weil ohne Messung durchführbar, ist die Methode, einen Aktuator einfach auf einen harten Anschlag zu bringen, also beispielsweise das Einlassventil und/oder das Auslassventil zu blockieren oder aber die Pumpenmembran bis zum Anschlag durchzudrücken. Dazu wird der Aktuatorblock mit definierter Kraft soweit vorgefahren, bis aufgrund des harten Anschlags keine weitere Bewegung mehr möglich ist. In diesem Fall erübrigt sich eine aktive Messung der Aktuatorposition (etwa durch Resonanzfrequenzänderung) .The conditioning can be done manually or preferably automatically (for example motor-driven), for example by an actuator block comprising the three relatively positioned actuators being moved forward as a unit, until, for example, a resonance sequence change of one of the actuators tuatoren (preferably the piezo stack) indicates that a contact with the micropump, in particular the base layer or a force on the actuators takes place. Advantageously, as the actuator block is moved forward as a unit and the individual actuators from the block have been properly positioned relative to one another by the manufacturer, the measurement on a single actuator, in particular on a single piezo element, is sufficient to detect that the entire assembly is the correct one Location has reached. For example, the contact of the actual pump membrane (preferably base layer) by the second actuator via its vibration behavior in electrical resonance excitation is very easy to detect. The central idea of this Kondi tionierverfahrens is that if only one actuator is advanced in its desired position, automatically vote the desired positions of the other actuators, because they have been adjusted on the actuator block relative to each other. Particularly simple, because feasible without measurement, the method is simply to bring an actuator to a hard stop, so for example, to block the inlet valve and / or the outlet valve or push through the pump diaphragm to the stop. For this purpose, the actuator block is advanced with a defined force until, due to the hard stop, no further movement is possible. In this case, an active measurement of the actuator position is unnecessary (for example due to resonance frequency change).
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Konditio- nierverfahrens wird die Konditionierung mit Hilfe mindestens einer einfachen Feder oder Federanordnung, die den Aktuatorblock ohne weitere Motorik einfach nach vorn gegen die Mikropumpe drückt, durchgeführt. Wenn mindestens eines der Ventile, entweder das Einlassventil oder das Auslassventil, mechanisch blockiert werden soll, also wenigstens einer der beiden Aktuatoren unverkürzt auf die Mikropumpe bzw. deren Ventilsitze wirkt, ist die Soll-Position des Ak- tuatorblocks relativ zur Mikropumpe immer definiert. Es ist im Betrieb der Pumpe niemals vorgesehen, dass sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil beide gleichzeitig freigegeben würden, also beide zugehörigen Aktuatoren verkürzt wären. Dieses Funktionsmerkmal gestattet eine beson- ders einfache Positionierung des Aktuatorblocks mittels einer Feder, die nur stark genug sein muss, um die beiden Ventile sicher zu blockieren und gegen ihre Anschläge - ihre Ventilsitze - zu drücken. Damit ist auch die Position des gesamten Aktuatorblocks definiert. Die Mikropumpe wird dann nur in die dafür vorgesehene Position, beispielsweise innerhalb einer Führung oder in einen seitlichen Rahmen in die "Pumpe" eingesetzt bzw. eingeklippst, wobei der Aktua- torblock, bevorzugt beispielsweise manuell etwas zurückgeschoben werden muss, um die Mikropumpe aufnehmen zu können. Ist die Mikropumpe in Position gebracht, lässt man die Feder des Aktuatorblocks letzteren einfach gegen die Mikropumpe drücken, wodurch beispielsweise sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil blockiert werden und gleichzeitig auch der der Pumpenmembran zugeordnete Aktua- tor in seiner Position relativ zur Pumpenmembran exakt definiert wird.In a particularly preferred embodiment of the conditioning process, the conditioning is carried out with the aid of at least one simple spring or spring arrangement which simply pushes the actuator block forward against the micropump without any further motor function. If at least one the valves, either the inlet valve or the outlet valve, to be blocked mechanically, so at least one of the two actuators acts uncorrected on the micropump or its valve seats, the target position of the actuator block relative to the micropump is always defined. It is never provided during operation of the pump that both the inlet valve and the outlet valve would both be released simultaneously, so both associated actuators would be shortened. This feature allows a very simple positioning of the actuator block by means of a spring, which only needs to be strong enough to securely lock the two valves and press them against their stops, their valve seats. This also defines the position of the entire actuator block. The micropump is then inserted or clipped into the "pump" only in the position provided for this purpose, for example within a guide or in a lateral frame, wherein the actuator block, preferably manually, for example, has to be pushed back slightly in order to be able to receive the micropump , Once the micropump has been brought into position, the spring of the actuator block is simply pressed against the micropump, whereby, for example, both the inlet valve and the outlet valve are blocked and, at the same time, the actuator associated with the pump membrane is exactly defined in its position relative to the pump diaphragm ,
Insbesondere dann, wenn auf eine hohe Dynamik des Pumpvorgangs verzichtet werden soll, ist es möglich, beispielswei- se den Pumpenmembranaktuator (zweiter Aktuator) einzusparen und beispielsweise durch ein starres Abstandselement zu ersetzen, welches auf die Pumpenmembran (vorzugsweise Basisschicht) drückt. In diesem Fall können die beiden Ventilak- tuatoren ausreichen, um über den Aktuatorblock und das Abstandselement auch die Pumpwirkung selbst aufzubringen. Soll z.B. das Auslassventil freigegeben und anschließend die Pumpenmembran per "Stroke" in Anschlag gebracht werden, kann der Auslassventilaktuator um die Dicke der Basisschicht von beispielsweise ca. 20μm zuzüglich eines zusätzlichen Offsets von etwa 5μm zurückgenommen werden, vorzugsweise unter Ausnutzung des Piezoeffekts . Anschließend wird der Einlassventilaktuator beispielsweise um etwas weniger als die Basisschichtdicke, also beispielsweise 19,5μm zurückgenommen, wodurch das, insbesondere mittlere, Abstandselement mitsamt dem Aktuatorblock um eben diese Strecke vorrückt und die Pumpenmembran (vorzugsweise Basisschicht) gegen ihren Anschlag (vorzugsweise zweite Trägerschicht) oder nahezu gegen ihren Anschlag auslängt. In allen beschriebenen Fällen ist es sehr leicht ermöglicht, den Aktuatorblock selbsttätig, nur durch mindestens eine einfache Feder oder Federanordnung in die gewünschte Position relativ zur Mikropumpe zu bringen, was eine bequeme Handhabung beim Einsetzen der Mikropumpe bedeutet und auch Eigensicherheit mit sich bringt: Durch die passive Federwirkung ist sichergestellt, dass im elektrisch spannungslosen Zustand alle Ventile blockiert sind, also ein "Normally- Closed -Verhalten" vorliegt. In dieser Konstellation kann kein Insulin die Mikropumpe passieren, selbst wenn der Vorratsbehälter unter Druck gesetzt wird, weil sowohl das Ein- lass- als auch das Auslassventil von jeweils einem Aktuator zugedrückt werden.In particular, if high dynamics of the pumping process are to be dispensed with, it is possible, for example, to save the pump membrane actuator (second actuator) and to replace it, for example, by a rigid spacer element which presses on the pump membrane (preferably base layer). In this case, the two valve sufficient to apply over the actuator block and the spacer and the pumping action itself. If, for example, the outlet valve is to be released and then the pump membrane is brought into abutment by "stroke", the outlet valve actuator can be withdrawn by the thickness of the base layer of, for example, about 20 μm plus an additional offset of about 5 μm, preferably taking advantage of the piezoelectric effect. Subsequently, the intake valve actuator, for example, by slightly less than the base layer thickness, so for example 19.5μm withdrawn, whereby the, in particular middle, spacer along with the Aktuatorblock advances by just this distance and the pump diaphragm (preferably base layer) against its stop (preferably second carrier layer) or almost against their attack auslängt. In all the cases described, it is very easy to bring the actuator block automatically, only by at least one simple spring or spring assembly in the desired position relative to the micropump, which means a comfortable handling when inserting the micropump and also intrinsic safety brings with it: passive spring action ensures that all valves are blocked in an electrically de-energized state, ie a "normal-closed-behavior" is present. In this constellation, insulin can not pass through the micropump even when the reservoir is pressurized because both the inlet and outlet valves are closed by one actuator at a time.
Die Mikropumpe arbeitet im Falle des Vorsehens von drei Ak- tuatoren wie folgt: Vor einem Pumpstoß wird der dem Auslassventil unmittelbar zugeordnete Aktuator beispielsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezostack zurückgezogen, wodurch das Auslassventil freigegeben wird. Dies bedeutet noch nicht, dass das Auslassventil geöffnet wird, es bleibt vielmehr so lange weiter geschlossen, bis es durch einen Überdruck im Inneren der Mikropumpe geöffnet wird. Erst dann kann Insulin die Mikropumpe verlassen. Da das Einlassventil bevorzugt immer noch blockiert ist, kann aus dem In- sulinvorrat kein Insulin in die Mikropumpe gelangen.The micropump works in the case of the provision of three actuators as follows: Before a surge, the actuator directly associated with the exhaust valve is retracted, for example by applying an electrical voltage to the piezo stack, whereby the exhaust valve is released. This does not mean that the exhaust valve is opened, but rather remains closed until it is opened by an overpressure inside the micropump. Only then can insulin leave the micropump. Since the inlet valve is preferably still blocked, insulin can not enter the micropump from the insulin reservoir.
Nun wird der der Membran der Mikropumpe unmittelbar zugeordnete Aktuator, vorzugsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung, verlängert und drückt die Pumpenmembran (vorzugsweise die Basisschicht) bis zum oberen Anschlag, d.h. bevorzugt bis zur zweiten Trägerschicht durch. Dabei wird das sogenannte "Stroke-Volumen" durch das Auslassventil abgegeben.Now, the actuator directly associated with the diaphragm of the micropump is extended, preferably by applying an electrical voltage, and pushes the pump diaphragm (preferably the base layer) to the top stop, i. preferably through to the second carrier layer. The so-called "stroke volume" is discharged through the outlet valve.
Als nächster Schritt wird das Auslassventil durch Verlängerung des diesem zugeordneten Aktuators blockiert (beispielsweise durch Wegnehmen der elektrischen Spannung, die den Aktuator verkürzt hatte oder kurzzeitig die Spannung umpolen und erst dann auf Null setzen) und danach der dem Einlassventil zugeordnete erste Aktuator, beispielsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung verkürzt, wodurch das Einlassventil freigegeben, aber noch nicht geöffnet wird. Das Einlassventil bleibt vielmehr weiter geschlossen, und zwar selbst gegen einen Überdruck von Außen im Insulin- vorrat, weil aus der Mikropumpe aufgrund des blockierten Auslassventils nichts abfließen kann. Erst wenn der zweite, der Pumpkammer zugeordnete Aktuator verkürzt wird, beispielsweise durch Wegnehmen der elektrischen Spannung am Piezostack und sich die Pumpenmembran (vorzugsweise die Basisschicht) in ihrer Ausgangslage zurückbewegt, wird das Einlassventil geöffnet und ein "Stroke-Volumen" Insulin gelangt in die Mikropumpe. Danach wird der erste, dem Ein- lassventil zugeordnete Aktuator wieder elektrisch spannungslos geschaltet, wodurch er sich bis zu seiner Ausgangslänge ausdehnt und das Einlassventil erneut blockiert. Daraufhin kann der Pumpvorgang wiederholt werden. Der dritte Aktuator (Auslassventilaktuator) gibt das Auslassventil frei, der zweite Aktuator (Pumpenaktuator) führt einen "Stroke" durch und das "Stroke-Volumen" wird durch das Auslassventil aus der Mikropumpe gefördert. Der dritte Aktuator blockiert dann das Auslassventil und der erste Aktuator gibt das Einlassventil frei, woraufhin der zweite Aktuator die Pumpenmembran in ihre Ausgangslage zurückführt, wobei über das Einlassventil das vorher abgegebene "Stroke- Volumen" aus dem Insulinvorratsbehälter wieder ersetzt wird und in die Mikropumpe gelangt, woraufhin das Einlassventil mittels des ersten Aktuators wieder blockiert wird, usw.As a next step, the exhaust valve is blocked by extending the associated actuator (for example, by removing the electrical voltage that had shortened the actuator or briefly reverse the voltage and then set to zero) and then the intake valve associated with the first actuator, for example by applying shortened electrical voltage, whereby the inlet valve is released, but not yet opened. The inlet valve rather remains closed, even against an overpressure from the outside in the insulin supply, because nothing can flow out of the micropump due to the blocked outlet valve. Only when the second, the pumping chamber associated actuator is shortened, for example by removing the electrical voltage on Piezo stack and the pump diaphragm (preferably the base layer) moves back to its original position, the inlet valve is opened and a "stroke-volume" insulin enters the micropump. Thereafter, the first, the inlet valve associated actuator is again electrically de-energized, whereby it expands to its original length and blocks the inlet valve again. Then the pumping process can be repeated. The third actuator (exhaust valve actuator) releases the exhaust valve, the second actuator (pump actuator) performs a "Stroke", and the "Stroke Volume" is delivered through the exhaust valve from the micropump. The third actuator then blocks the outlet valve and the first actuator releases the inlet valve, whereupon the second actuator returns the pump membrane to its original position, the previously discharged "stroke volume" from the insulin reservoir being replaced again via the inlet valve and entering the micropump , whereupon the inlet valve is blocked again by means of the first actuator, etc.
Wesentlich ist, dass stets nur das "Stroke-Volumen" in die Mikropumpe gelangt, und zwar unabhängig von einem allfälligen Vordruck im Vorratsbehältnis, und auch stets genau dieses "Stroke-Volumen" aus der Mikropumpe gefördert wird, oh- ne einen schädlichen Rückfluss in die Mikropumpe zurück. Dadurch wird die Dosierung sehr genau und die Mikropumpe eigensicher, auch bei Überdruck im Vorratsbehältnis. Wegen ihrer hohen longitudialen Steifigkeit bieten sich als Aktu- atoren Piezoaktuatoren an, anhand derer beispielhaft die Funktion der Mikropumpe beschrieben wurde. Es ist jedoch auch möglich andere Aktuatoren, beispielsweise thermische oder elektrische Aktuatoren, insbesondere mit entsprechen- den Federwerken als Aktuatoren zusätzlich oder alternativ zu Piezoaktuatoren einzusetzen.It is essential that always only the "stroke volume" enters the micropump, regardless of any form of pressure in the storage container, and that precisely this "stroke volume" is always conveyed out of the micropump, without damaging reflux into the micropump the micropump back. As a result, the dosage is very accurate and the micropump intrinsically safe, even with overpressure in the storage container. Because of their high longitudinal stiffness, piezoactuators are suitable as actuators, by means of which the function of the micropump has been described by way of example. However, it is also possible other actuators, for example thermal or electrical actuators, in particular with corresponding use the spring mechanisms as actuators in addition to or as an alternative to piezo actuators.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings. These show in:
Fig. 1 - 2: zwei anfängliche Verfahrensschritte zur Her¬ stellung einer Mikropumpe ausgehend von ei¬ nem Siliziumwafer als erster Trägerschicht,Figure 1 - 2:. Two initial steps for the manufacture of a micropump ¬ position starting from egg ¬ nem silicon wafer as the first carrier layer,
Fig. 3 einen alternativen Startpunkt für ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Mikropumpe, ausgehend von einem SOI-Wafer,3 shows an alternative starting point for a production method for producing a micropump, starting from an SOI wafer,
Fig. 4 - 12 wichtige Herstellungsschritte zur Herstel- lung einer Mikropumpe, wobei bei den gezeig¬ ten Verfahrenschritten die erste Trägerschicht als Siliziumwafer ausgebildet ist,FIG. 4 - 12 major manufacturing steps for the production-of a micropump, wherein the first support layer is formed as a silicon wafer in the gezeig ¬ ten process steps,
Fig. 13 - 15 wesentliche Verfahrensschritte bei der Her- Stellung einer Mikropumpe, wobei hier die erste Trägerschicht Teil des SOI-Wafers ist, wobei der Verfahrensschritt gemäß Fig. 13 dem Verfahrensschritt gemäß Fig. 9, der Ver¬ fahrenschritt gemäß Fig. 14 dem Verfahrens- schritt gemäß Fig. 11 und der Verfahrens¬ schritt gemäß Fig. 15 dem Verfahrensschritt gemäß Fig. 12 entspricht, und Fig. 16 eine perspektivische Darstellung einer noch nicht fertigen Mikropumpe bei deren Herstellung.In which case the first support layer 15 is essential process steps during the production of a micro-pump, part of the SOI wafer, wherein the method step according to Figure 13 the method step according to Figure 9, the Ver ¬ method step according to Figure 14 is the Fig. 13 -... the method step according to FIG. 11 and the process ¬ the step step according to Fig. 15 of FIG. 12 corresponds to, and Fig. 16 is a perspective view of a not yet finished micropump in their production.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .In the figures, the same components and components with the same function with the same reference numerals.
In Fig. 1 startet die Herstellung einer Mikropumpe ausgehend von einem Siliziumwafer als erster Trägerschicht 1, die auf ihrer Vorderseite V mit einem (thermischen) Oxid als untere Stoppschicht 2 versehen wird, in welcher an ge- eigneter Stelle Kontaktlöcher 3 für eine elektrische Kon- taktierung vom Basisträgerschichtmaterial Silizium zu nachfolgend aufgebrachten Siliziumschichten angelegt werden. Die elektrischen Kontakte sind vorteilhaft für einen späteren, sogenannten anodischen Bondprozess, bei dem ein Strom- fluss für das Eingehen einer hochfesten Verbindung zu einer, beispielsweise in Fig. 10 gezeigten, zweiten Trägerschicht 4 (hier: Glassubstrat) erforderlich wird.1, the production of a micropump starting from a silicon wafer as the first carrier layer 1, which is provided on its front side V with a (thermal) oxide as the lower stop layer 2, in which suitable holes contact holes 3 for an electrical Kon- Taktierung of the base support layer material silicon are applied to subsequently applied silicon layers. The electrical contacts are advantageous for a subsequent, so-called anodic bonding process, in which a current flow is required for entering into a high-strength connection to a second carrier layer 4 (here: glass substrate), for example shown in FIG.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Zwischenstadium der Mikropumpe, bei deren Herstellung, wobei auf die Vorderseite der unteren Stoppschicht 2 eine als EpiPoly-Siliziumschicht ausgebildete Basisschicht 5 aufgebracht wurde. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Basisschicht 5 llμm. Die Basisschicht 5 kann optional, beispielsweise durch ei- nen CMP-Schritt planarisiert werden.FIG. 2 shows a further intermediate stage of the micropump, during its manufacture, wherein a base layer 5 designed as an EpiPoly silicon layer was applied to the front side of the lower stop layer 2. In this embodiment, the thickness of the base layer is 5 μm. The base layer 5 can optionally be planarized, for example by a CMP step.
Fig. 3 zeigt einen alternativen Startpunkt für den Herstel- lungsprozess, wobei von einem sogenannten SOI-Wafer 6 als Ausgangsmaterial gestartet wird. Die Schritte der Folien 1 und 2 können dann entfallen, da bereits ein höherwertiges Halbzeug als Ausgangsmaterial verwendet wird. Nachteilig ist in diesem Fall jedoch, dass keine elektrisch leitendfä- hige Verbindung von der unteren, ersten Trägerschicht 1 zur oberen, auf der Vorderseite V der ersten Trägerschicht 1 angeordneten, Basisschicht 5 des SOI-Wafers 6 über Kontaktlöcher zur Verfügung steht. Für eine spätere anodische Bondung müssen geeignete Kontaktmittel über den Waferrand be- reitgestellt werden, z.B. Klammern oder Federkontakte, die beispielsweise die obere Basisschicht 5 des SOI-Wafers 6 vom Rand her elektrisch kontaktieren.FIG. 3 shows an alternative starting point for the production process, wherein a so-called SOI wafer 6 as a Starting material is started. The steps of the films 1 and 2 can then be omitted, since a higher-quality semifinished product is already used as the starting material. However, a disadvantage in this case is that no electrically conductive connection is available from the lower, first carrier layer 1 to the upper base layer 5 of the SOI wafer 6 arranged via contact holes, arranged on the front side V of the first carrier layer 1. For a subsequent anodic bonding, suitable contact means must be provided over the wafer edge, for example clamps or spring contacts which, for example, electrically contact the upper base layer 5 of the SOI wafer 6 from the edge.
Fig. 4 zeigt die Fortsetzung des Herstellungsprozesses, und zwar unabhängig davon, ob die Variante gemäß den Fig. 1 und 2 oder die Variante gemäß Fig. 3 verfolgt wird. Illustriert ist im Folgenden anhand der Fig. 4 bis 12 die Variante gemäß den Fig. 1 und 2, bei der von einem Siliziumwafer als Startpunkt (erste Trägerschicht 1) ausgegangen wird - die "SOI-Wafer"-Variante lässt sich daraus unschwer ableiten.4 shows the continuation of the production process, regardless of whether the variant according to FIGS. 1 and 2 or the variant according to FIG. 3 is followed. Illustrated in the following with reference to FIGS. 4 to 12 is the variant according to FIGS. 1 and 2, in which a silicon wafer is assumed as the starting point (first carrier layer 1) - the "SOI wafer" variant can be easily derived therefrom.
Auf der Vorderseite der Basisschicht 5 wird ein dickes Oxid als obere Stoppschicht 7 abgeschieden und so strukturiert, dass auf ausgewählten Flächen die als Opferschicht dienende Stoppschicht 7 stehen bleibt. Diese ausgewählten Flächen sind in späteren Fertigungsschritten allesamt Bereiche, in denen ein Silizium-Plasmaätzprozess gestoppt werden muss und/oder eine freitragende bewegliche Struktur entstehen soll. Wesentlich ist, dass unmittelbar oberhalb der Kon- taktlöcher 3 eine Stoppschicht 7 vorgesehen ist.On the front side of the base layer 5, a thick oxide is deposited as an upper stop layer 7 and structured such that the stop layer 7 serving as the sacrificial layer remains on selected surfaces. These selected areas are all areas in later manufacturing steps, in which a silicon plasma etching process must be stopped and / or a cantilevered movable structure is to arise. It is essential that immediately above the contact holes 3 a stop layer 7 is provided.
Die Dicke der oberen Stoppschicht 7 beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 4 bis 5 μm. In der Variante "SOI-Wafer" kann beispielsweise ein thermisches Oxid bis zu einer Dicke von 2,5μm aufgewachsen und darüber noch ein l,8μm dickes Oxid abgeschieden werden, etwa in der Form von TEOS oder Plasmaoxid, was in Summe eine Stoppschichtdicke von maximal ca. 4,3μm ergibt. In der Variante, bei der von einem Siliziumwafer als erste Trägerschicht ausgegangen wird ist eine thermische Oxidation nicht zu empfehlen, da hierdurch nicht tolerierbare Stressgradienten in das Basisschichtmaterial (Epipoly-Silizium) eingetragen würden, die die weitere Verwendung als mechanisches Schichtmaterial unmöglich machen würden. Für den letztgenannten Fall erfolgt die Abscheidung der vollen Stoppschichtdicke (Oxiddicke) bevorzugt als TEOS oder Plasmaoxid bei relativ niedrigen Temperaturen von z.B. 3000C bis 4500C.The thickness of the upper stop layer 7 is in the embodiment shown about 4 to 5 microns. In the variant "SOI wafer" can, for example, a thermal oxide grown to a thickness of 2.5 .mu.m and about a l, 8 .mu.m thick oxide are deposited, such as in the form of TEOS or plasma oxide, which in total a stop layer thickness of about 4 , 3μm yields. In the variant in which starting from a silicon wafer as the first carrier layer, a thermal oxidation is not recommended, as this unacceptable stress gradients would be registered in the base layer material (epipoly-silicon), which would make further use as a mechanical layer material impossible. For the latter case, the deposition of the full stop layer thickness takes place (oxide thickness) is preferred as TEOS or plasma oxide at relatively low temperatures of, for example, 300 0 C to 450 0 C.
In Fig. 5 ist ein Herstellungsschritt gezeigt, bei dem auf die Vorderseite der Basisschicht 5 sowie auf die Vorderseite der Stoppschicht 7 eine Funktionsschicht 8 mit einer Dicke von etwa 15 bis 24 μm abgeschieden wurde. Die Funkti- onsschicht 8 besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer EpiPoly-Siliziumschicht . Da auf der Vorderseite (Schichtoberfläche) der Funktionsschicht 8 später anodisch gebondet werden muss, ist eine Planarisierung der Oberfläche, beispielsweise durch ein CMP-Verfahren an dieser Stel- Ie unbedingt zu empfehlen, und zwar unabhängig davon, ob bereits vorangehend die Basisschicht 5 planarisiert oder für die Basisschicht eine SOI-Waferschicht verwendet wurde. Der Planarisierschritt muss die Topographie der Oberfläche einebnen und die Flächen für eine Bondung mikroskopisch "glätten".FIG. 5 shows a production step in which a functional layer 8 having a thickness of approximately 15 to 24 μm was deposited on the front side of the base layer 5 and on the front side of the stop layer 7. The functional layer 8 consists in the embodiment shown of an EpiPoly silicon layer. Since the functional layer 8 must laterally be anodically bonded on the front side (layer surface), planarization of the surface, for example by a CMP process at this point, is absolutely to be recommended, independently of whether the base layer 5 has already been planarized or an SOI wafer layer was used for the base layer. The planarization step must level the topography of the surface and "smoothen" the surfaces microscopically for bonding.
In Fig. 6 ist der Waferstack nach dem Aufbringen und Strukturierung einer Antibond-Schicht 9, die auf den späteren Ventil-Dichtflächen verbleiben muss, gezeigt. Die Antibond- Schicht 9 kann beispielsweise aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Graphit bestehen. Außerdem sind Ausnehmungen 10, 11 rund um die Antibond-Schicht-Flächenbereiche 9 mit einer Tiefe von etwa 2 bis 5 μm eingeätzt worden. Diese Ausnehmungen 10, 11 sollen später nicht mit der zu bondenden zweiten Trägerschicht 4 in Kontakt kommen, um eine Beweglichkeit von herzustellenden mikrofluidischen Funktionselementen, hier eines Einlassventilstempels 14 und eines Auslassventilstempels 17 zu garantieren.In Fig. 6 is the wafer stack after the application and structuring of an anti-adhesive layer 9, which on the later Valve sealing surfaces must remain, shown. The Antibond- layer 9 may for example consist of silicon nitride, silicon carbide or graphite. In addition, recesses 10, 11 have been etched around the anti-bonding layer surface areas 9 to a depth of about 2 to 5 microns. These recesses 10, 11 are later not to come into contact with the second carrier layer 4 to be bonded in order to guarantee a mobility of microfluidic functional elements to be produced, here an inlet valve punch 14 and an outlet valve punch 17.
In Fig. 7 ist die Funktionsschicht 8 unter anderem in dem Bereich unterhalb der Ausnehmungen 10, 11 strukturiert worden. Anders ausgedrückt werden durch die mikrofluidischen Funktionselemente 12 geschaffen, nämlich ein Einlassventil 13 mit einem Einlassventilstempel 14, auf dessen Vorderseite sich die Antibond-Schicht 9 als Ventildichtfläche befindet. Ferner wurde eine Pumpkammer 15 sowie ein Auslassventil 16 mit einem Auslassventilstempel 17 geschaffen, wobei auf der Vorderseite des Auslassventilstempels 16 sich ebenfalls eine Antibond-Schicht 9 als Dichtfläche befindet. Die Funktionselemente 12 sind bei dem Verfahrenschritt gemäß Fig. 7 noch nicht fertig gestellt. Hierzu ist es noch notwendig, wie sich aus Fig. 8 ergibt, die obere Stoppschicht 7 (Opferschicht) selektiv zu entfernen. Dies kann durch flüssige oder dampfförmige Flusssäure in an sich bekannter Weise durchgeführt werden. Nach dieser Ätzung ist das Einlassventil 13 bzw. der Einlassventilstempel 14 frei beweglich und kann insbesondere in Z-Richtung ausgelenkt werden. Der Abstand des Einlassventilstempels 14 zur Basisschicht 5 entspricht der Dicke des zuvor entfernten Oxids (obere Stoppschicht 7 (Opferschicht) ) von 4 bis 5 μm. Erwähnenswert ist an dieser Stelle die Ausbildung des Einlassventils 13. Dieses umfasst bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 eine Spiralfeder 18, die in einer Draufsicht unterhalb des Waferstacks in Fig. 7 gezeigt ist. Die Spi- ralfeder 18 trägt endseitig den Einlassventilstempel 14, wodurch eine weiche Lagerung des Einlassventilstempels 14 in Z-Richtung gegeben ist und sich Materialstress relaxieren kann.In FIG. 7, the functional layer 8 has been structured inter alia in the region below the recesses 10, 11. In other words, provided by the microfluidic functional elements 12, namely an inlet valve 13 with an inlet valve punch 14, on the front side of which the antibond layer 9 is located as a valve sealing surface. Furthermore, a pumping chamber 15 and an outlet valve 16 having an outlet valve punch 17 has been created, wherein on the front side of the outlet valve punch 16 there is likewise an anti-bonding layer 9 as a sealing surface. The functional elements 12 are not yet completed in the method step according to FIG. 7. For this purpose, it is still necessary, as can be seen from FIG. 8, to selectively remove the upper stop layer 7 (sacrificial layer). This can be carried out by liquid or vapor hydrofluoric acid in a conventional manner. After this etching, the inlet valve 13 or the inlet valve punch 14 is freely movable and can be deflected in particular in the Z direction. The distance of the inlet valve punch 14 to the base layer 5 corresponds to the thickness of the previously removed oxide (upper stop layer 7 (sacrificial layer)) of 4 to 5 μm. It is worth mentioning at this point the formation of the inlet valve 13. This includes in the embodiment of FIG. 7, a coil spring 18, which is shown in a plan view below the wafer stack in Fig. 7. The spiral spring 18 bears the inlet valve punch 14 at the end, as a result of which a soft bearing of the inlet valve punch 14 in the Z direction is given and material stress can be relaxed.
Eine alternative Ausführungsform des Einlassventils 14 ergibt sich aus der perspektivischen Darstellung gemäß Fig. 16. Zu erkennen sind drei ineinander geschachtelte Spiralfedern 18, die allesamt einenends mit dem Einlassventilstempel 14 verbunden sind und zwar an in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordneten Stellen. Der zentrale Einlassventilstempel 14 wird völlig symmetrisch von den Spiralfedern 18 gehalten und jegliche Eigenspannung der Spiralfedern wird durch eine minimale Verdrehung des Einlassventilstempels 14 vollständig abgebaut. Durch die rela- tiv großen Federlängen wird eine weiche Aufhängung des zentralen Einlassventilstempels in Z-Richtung realisiert, wobei die Federhöhe nahezu der gesamten Opferschichthöhe entspricht. Weiterhin ergibt sich aus Fig. 16 der Aufbau und die Anordnung des Auslassventils 16 mit seinem zentri- sehen Ventilstempel 17. Aus Fig. 16 ist zu erkennen, dass sowohl eine Einlassventilkammer als auch eine Auslassventilkammer sowie die Pumpkammer 15 kreisrund konturiert sind und über große Öffnungsquerschnitte miteinander verbunden sind.An alternative embodiment of the inlet valve 14 results from the perspective illustration according to FIG. 16. Three spiral springs 18 nested one inside the other are shown, all of which are connected at one end to the inlet valve punch 14, namely at points uniformly distributed in the circumferential direction. The central inlet valve punch 14 is held completely symmetrical by the coil springs 18 and any residual stress of the coil springs is completely degraded by a minimum rotation of the inlet valve punch 14. Due to the relatively large spring lengths, a soft suspension of the central inlet valve plunger in the Z direction is realized, with the spring height corresponding to almost the entire sacrificial layer height. Furthermore, FIG. 16 shows the structure and the arrangement of the outlet valve 16 with its centric valve stamper 17. It can be seen from FIG. 16 that both an inlet valve chamber and an outlet valve chamber and the pumping chamber 15 are contoured circular and have large opening cross sections connected to each other.
Wie zuvor erwähnt, ist in Fig. 8 ein Zwischenschritt der Herstellung der Mikropumpe gezeigt, bei dem die (obere) Stoppschicht 7 (Opferschicht) selektiv entfernt wurde. Erst hierdurch wird das Einlassventil 13 frei. Zuvor saß derAs mentioned above, in Fig. 8, there is shown an intermediate step of manufacturing the micropump, in which the (top) stop layer 7 (sacrificial layer) has been selectively removed. First As a result, the inlet valve 13 is released. Previously sat the
Einlassventilstempel 14 noch fest auf dem dicken, dieInlet valve stamp 14 still stuck on the thick, the
Stoppschicht 7 (Opferschicht) bildenden Oxid, das auch denStop layer 7 (sacrificial layer) forming oxide, which is also the
Ätzstopp für den Plasmaätzprozess zur Strukturierung der Funktionsschicht 8 gebildet hat.Etch stop for the plasma etching process for structuring the functional layer 8 has formed.
Insbesondere aus den Fig. 6 bis 8 wird deutlich, dass die Herstellung der Funktionselemente 12 ausschließlich durch Vorderseitenstrukturierung, also durch Strukturierung in eine Richtung auf die Vorderseite V der ersten Trägerschicht zu erfolgt ist. Die Trägerschicht 1 wurde dabei nicht in Mitleidenschaft gezogen, etwa weil durch sie hindurch strukturiert worden wäre.In particular from FIGS. 6 to 8 it is clear that the production of the functional elements 12 is effected exclusively by front side structuring, that is to say by structuring in a direction toward the front side V of the first carrier layer. The carrier layer 1 was not affected thereby, for example because it would have been structured through it.
Fig. 9 illustriert einen anodischen Bondprozess: Die vorstrukturierte zweite Trägerschicht 4, hier ein Borosili- katglaswafer (beispielsweise ein Pyrexglaswafer) weist an entsprechenden Stellen Bohrungen als Fluidkanäle 19, 20 auf. Dabei bildet der in der Zeichnung linke Fluidkanal 19 einen Einlasskanal zum Zuführen von Wirkstoff (Insulin) und der Fluidkanal 20, der sich in der Zeichnungsebene rechts befindet, einen Auslasskanal zum Auslassen eines "Stroke"- Volumens. Bevorzugt wird der Fluidkanal 19 mit einem Vorratstank oder Vorratsbeutel mit Insulin verbunden und der Fluidkanal 20 an eine Injektionsnadel oder besonders bevorzugt ein Mikronadelarray, beispielsweise aus porösem Silizium, etc. angeschlossen. Die Umfangsränder der unteren Enden der Fluidkanäle 19, 20 bilden die Ventilsitze für den Einlassventilstempel 14 bzw. den Auslassventilstempel 17. Die Antibond-Schicht-Flächenabschnitte bilden die Dichtflächen des Einlassventils 13 des Auslassventils 16. Zusätzlich oder alternativ zu der Antibond-Schicht 9 können nicht gezeigte Antibond-Flächen als Sitzflächen auf der Rückseite der zweiten Trägerschicht 4 vorgesehen werden.FIG. 9 illustrates an anodic bonding process: The pre-structured second carrier layer 4, here a borosilicate glass wafer (for example a pyrex glass wafer) has boreholes as fluid channels 19, 20 at corresponding locations. In this case, the left in the drawing fluid channel 19 forms an inlet channel for supplying active ingredient (insulin) and the fluid channel 20, which is located in the plane of the right, an outlet channel for discharging a "stroke" - volume. The fluid channel 19 is preferably connected to a storage tank or storage bag with insulin, and the fluid channel 20 is connected to an injection needle or particularly preferably a microneedle array, for example of porous silicon, etc. The peripheral edges of the lower ends of the fluid channels 19, 20 form the valve seats for the inlet valve plunger 14 and the outlet valve plunger 17, respectively. The anti-Bonn layer surface portions form the sealing surfaces of the inlet valve 13 of the outlet valve 16. In addition or as an alternative to the anti-adhesive layer 9, it is not possible Anti-bonding surfaces shown are provided as seats on the back of the second carrier layer 4.
Für den anodischen Bondprozess muss die Funktionsschicht 8 mit einer elektrischen Spannungsquelle kontaktiert und positiv gegenüber der justiert aufgelegten zweiten Trägerschicht 4 gepolt werden. In der gezeigten Variante, ausgehend von einem Siliziumwafer als erster Trägerschicht 1, ist diese Kontaktierung problemlos über die erste Träger- schicht 1 aufgrund der Kontaktlöcher 3 in der unteren Stoppschicht 2 möglich. Dabei kommen in an sich bekannter Weise Spannungen von einigen 100 V bis einigen 1000 V zum Einsatz, je nach Dicke der zweiten Trägerschicht 4. Durch die anodische Polung der Vorderseite bzw. der Siliziumober- fläche der Opferschicht 8 gegen die zweite Trägerschicht 4 wird eine hochfeste, hochgenaue und irreversible Verbindung der Kontaktflächen zueinander erreicht, ohne dass es hierzu eines Klebstoffs bedürfte. Letzteres ist entscheidend im Zusammenhang mit der eingeschränkten Stabilität und Bioak- tivität von Insulin, das durch viele Materialien, wie viele Kunststoffe oder Klebstoffe in seiner Wirksamkeit beeinträchtigt würde. Bei der gezeigten Mikropumpe kommt das Insulin innerhalb der Mikropumpe lediglich mit Silizium, Bo- rosilikatglas und der Antibond-Schicht in Kontakt - alle diese Stoffe sind gut Insulin-verträglich.For the anodic bonding process, the functional layer 8 has to be contacted with an electrical voltage source and poled positively with respect to the second carrier layer 4, which has been set up in an adjusted manner. In the variant shown, starting from a silicon wafer as the first carrier layer 1, this contacting is possible without problems via the first carrier layer 1 due to the contact holes 3 in the lower stop layer 2. In this case, voltages of a few 100 V to a few 1000 V are used in a manner known per se, depending on the thickness of the second carrier layer 4. The anodic polarity of the front side or the silicon surface of the sacrificial layer 8 against the second carrier layer 4 becomes a high-strength , achieved highly accurate and irreversible connection of the contact surfaces to each other, without the need for this an adhesive. The latter is crucial in the context of the limited stability and bioactivity of insulin, which would be compromised by many materials, such as many plastics or adhesives in its effectiveness. In the case of the micropump shown, the insulin within the micropump comes into contact only with silicon, bo- rosilicate glass and the antibond layer - all these substances are well insulin-compatible.
Fig. 10 zeigt den gebondeten Waferaufbau nach der Durchführung des anodischen Bondprozesses.Fig. 10 shows the bonded wafer structure after performing the anodic bonding process.
In Fig. 11 ist die erste Trägerschicht 1 entfernt worden. Das Rückdünnen der ersten Trägerschicht 1 kann durch Rückschleifen, Plasmaätzen oder durch eine Kombination aus Rückschleifen und Plasmaätzen geschehen. Alternativ kann auch nass geätzt werden, etwa in heißer Kalilauge unter Verwendung einer Ätzmaske als Vorderseitenschutz. Die Entfernung der kompletten ersten Trägerschicht 1 durch Plasmaätzen ist besonders schonend, da hier keine mechanische Einwirkung stattfindet. Da es hierzu an sich nicht erforderlich ist, anisotrop zu ätzen, kann beispielsweise mit einem isotropen SFε-Prozess mit vorteilhaft höheren Abtragraten von 50 bis lOOμm/min oder mehr geätzt werden, sodass das Entfernen der ersten Trägerschicht 1 nur wenige Minuten dauert. Da über die Kontaktlöcher 3 ein Ätzangriff auf die darüberliegende Basisschicht (hier Silizium) bis zur (zweiten) Stoppschicht 7 erfolgt, ist es vorteilhaft, in der Endphase des Prozesses von rein isotropen Plasmaätzen auf ein zumindest teilweise anisotropes Plasmaätzen umzuschal- ten. Der Vorteil der Anisotropie ist in dem Fall, dass die Kontaktlöcher 3 überätzt werden dürfen etwa zum Ausgleich von Ätzinhomogenitäten oder Waferdickenschwankungen über die Waferfläche, ohne dass die Einätzungen in die Basisschicht in den Kontaktlochbereichen lateral immer größer werden. Der Nachteil ist die geringere Ätzgeschwindigkeit bei anisotropem Ätzen. Das Umschalten von einem rein i- sotropen Ätzprozess zu einem zumindest teilweise anisotropen Plasmaätzprozess kann dadurch realisiert werden, dass entsprechend der Lehre der DE 42 410 45 Al der isotrope SFε-Ätzschritt gegen Ende des Rückätzens alternierend mit sogenannten Passivierschritten mit beispielsweise C4F8 oder C3F6 als Passiviergas durchgeführt wird. Das Erkennen dieses Übergangs kann beispielsweise mittels einer optischen Endpunkterkennung über "Optical Emissions Spectroscopy" - sogenanntes OES - erfolgen, in dem das Erreichen der unteren (ersten) Stoppschicht 2 an irgendeiner Stelle erkannt und dann für das Weiterätzen bzw. weitere Überätzen die Passivierschritte eingefügt werden, um die bereits in Ät- zung begriffenen Kontaktlöcher 3 während des Überätzens lateral nicht übermäßig auszudehnen. In vertikaler Richtung ist der dicke Oxidbereich, der dem Kontaktloch 3 gegenüberliegt, jeweils ätzbegrenzend. Mit dieser Vorgehensweise können Inhomogenitäten des Ätzprozesses selbst bzw. Wafer- dickenschwankungen durch Überätzen ungestraft ausgeglichen werden. Das OES-Endpunkterkennungssystem zeigt auch an, wenn die erste Trägerschicht, also sämtliches Silizium, von der unteren Stoppschicht 2 entfernt wurde und der Prozess an seinem Ende angelangt ist.In Fig. 11, the first carrier layer 1 has been removed. The back-thinning of the first carrier layer 1 can be done by back grinding, plasma etching or by a combination of back grinding and plasma etching. Alternatively, you can also be etched wet, such as in hot caustic potash using an etching mask as anterior protection. The removal of the complete first carrier layer 1 by plasma etching is particularly gentle, since no mechanical action takes place here. Since it is not necessary per se to etch anisotropically, it is possible, for example, to etch with an isotropic SFε process with advantageously higher removal rates of 50 to 100 μm / min, so that the removal of the first carrier layer 1 takes only a few minutes. Since an etching attack on the overlying base layer (in this case silicon) up to the (second) stop layer 7 occurs via the contact holes 3, it is advantageous to switch from pure isotropic plasma etching to an at least partially anisotropic plasma etching in the final phase of the process Anisotropy is in the case that the contact holes 3 may be over-etched, for example to compensate for Ätzenhomogenitäten or wafer thickness variations over the wafer surface, without the etchings in the base layer laterally in the contact hole areas are getting larger. The disadvantage is the lower etching rate for anisotropic etching. Switching from a purely isotropic etching process to an at least partially anisotropic plasma etching process can be realized by alternating the so-called passivation steps with, for example, C 4 F 8 or, according to the teachings of DE 42 410 45 Al, the isotropic SFε etching step towards the end of the etch back C3F6 is carried out as Passiviergas. The recognition of this transition can, for example, by means of an optical end point detection via "Optical Emissions Spectroscopy" - so-called OES - done in which the achievement of the lower (first) stop layer 2 detected at any point and then the Passivierschritte be inserted for Weiterätzen or further over-etching in order to lateral contact holes 3 do not overly expand laterally during overetching. In the vertical direction, the thick oxide region, which is opposite to the contact hole 3, is etch-limiting. With this procedure, inhomogeneities of the etching process itself or wafer thickness fluctuations due to overetching can be compensated with impunity. The OES endpoint recognition system also indicates when the first carrier layer, ie all silicon, has been removed from the lower stop layer 2 and the process has reached its end.
Fig. 12 zeigt das Entfernen der noch verbliebenen Stoppschichten 2, 7: zum einen der flächigen unteren Stoppschicht 2, zum anderen der oberen Stoppschicht 7 (Opfer- Schicht) (Ätzstoppbereich über den offenen Kontaktlöchern 3) . Das Entfernen kann wiederum durch flüssig oder dampfförmige Flusssäure erfolgen. Da insbesondere Oxidschichten starke Druckspannungen in den mechanischen Aufbau eintragen, ist es vorteilhaft, am Prozessende alle Oxidschichten zu entfernen.FIG. 12 shows the removal of the still remaining stop layers 2, 7: on the one hand the flat lower stop layer 2, on the other hand the upper stop layer 7 (sacrificial layer) (etch stop region over the open contact holes 3). The removal can in turn be carried out by liquid or vaporous hydrofluoric acid. Since, in particular, oxide layers introduce strong compressive stresses into the mechanical structure, it is advantageous to remove all oxide layers at the end of the process.
Ferner ist auf Fig. 12 eine mögliche Anordnung eines ersten Aktuators Al, eines zweiten Aktuators A2 und eines dritten Aktuators A3 gezeigt. Dabei ist der erste Aktuator Al un- mittelbar dem Einlassventil 13, der zweite Aktuator A2 unmittelbar der Pumpkammer 15 und der dritte Aktuator A3 unmittelbar dem Auslassventil 16 zugeordnet. Zu erkennen ist, dass sämtliche Aktuatoren Al bis A3 unmittelbar auf die Basisschicht 5 einwirken, die die Mikropumpe auf der von der zweiten Trägerschicht 4 abgewandten Seite begrenzt. Bezüglich der Funktionsweise und einer möglichen Ansteuerung der Aktuatoren Al bis A3 wird auf den allgemeinen Beschreibungsteil verwiesen. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass bei Bedarf beispielsweise auf den zweiten Aktuator A2 verzichtet werden kann (vergleiche allgemeiner Beschreibungsteil) .Furthermore, FIG. 12 shows a possible arrangement of a first actuator Al, a second actuator A2 and a third actuator A3. In this case, the first actuator Al is directly associated with the inlet valve 13, the second actuator A2 directly with the pumping chamber 15 and the third actuator A3 directly with the outlet valve 16. It can be seen that all the actuators A1 to A3 act directly on the base layer 5, which delimits the micropump on the side remote from the second carrier layer 4. With regard to the mode of operation and a possible activation of the actuators A1 to A3, reference is made to the general description section. In particular, it is pointed out if necessary, for example, the second actuator A2 can be dispensed with (compare general description part).
Fig. 13 illustriert den Bondprozess für den Fall der "SOI"- Wafer" Variante. Bis auf die Schwierigkeit, die obere SOI- Schicht (Basisschicht 5) über Kontaktfedern, etc. von der Seite oder über den Waferrand elektrisch zu kontaktieren, weil keine Kontaktlöcher zur unteren, ersten Trägerschicht 1 vorhanden sind, entspricht der Aufbau und die Vorgehensweise genau dem Pendant von Fig. 9.13 illustrates the bonding process in the case of the "SOI" -wafer "variant, except for the difficulty of electrically contacting the upper SOI layer (base layer 5) via contact springs, etc. from the side or over the wafer edge, because none Vias to the lower, first carrier layer 1 are present, the structure and the procedure corresponds exactly to the counterpart of Fig. 9.
Fig. 14 zeigt den gebondeten Waferstack nach dem Entfernen der ersten Trägerschicht 1. Da es beim SOI-Aufbau keine Kontaktlöcher in der unteren Stoppschicht 2 gibt ist das Entfernen der ersten Trägerschicht 1 durch ein Rückätzen in Plasma besonders problemlos und einfach möglich. Es ist vorteilhaft, die isotrope Silizium-Ätzung mit SF6-Plasma mit einem Endpunkterkennungssystem (OES) zu kontrollieren. Dieses zeigt an, wenn kein Silizium mehr geätzt wird und wenn überall auf der unteren Stoppschicht 2 angelangt ist, wobei die untere Stoppschicht 2 dem Ätzstopp für diesen Ätzprozess darstellt. Dabei kann auch zur Sicherheit ein Überätzen vorgesehen werden, um tatsächlich sämtliches Si- lizium restlos von der unteren Stoppschicht 2 zu entfernen und anfällige Inhomogenitäten auszugleichen. Da der vollständige Prozess isotrop durchgeführt werden kann, sind Abtragungsraten extrem hoch (typischerweise lOOμm/min oder mehr) und die Prozesszeit sehr kurz (nur wenige Minuten) . Alternativ kann auch nass geätzt werden, z.B. in heißer Kalilauge unter Verwendung einer Ätzmaske als Vorderseitenschutz . Fig. 15 zeigt den Zustand des Waferstags nach dem Entfernen der unteren Stoppschicht 2 durch flüssige oder dampfförmige HF. Auch in diesem Fall empfiehlt es sich, sämtliches Oxid zu entfernen, um unerwünschte Druckspannungen aus dem me- chanischen Aufbau herauszunehmen. Die Funktion der gezeigten Aktuatoren Al bis A3 wird im allgemeinen Beschreibungsteil erläutert.14 shows the bonded wafer stack after the removal of the first carrier layer 1. Since there are no contact holes in the lower stop layer 2 in the SOI structure, the removal of the first carrier layer 1 by etching back into plasma is particularly easy and simple. It is advantageous to control the isotropic silicon etching with SF 6 plasma with an end point recognition system (OES). This indicates when no more silicon is etched and when all has arrived on the lower stop layer 2, the lower stop layer 2 represents the etch stop for this etching process. In this case, an overetching can also be provided for safety in order to actually completely remove all silicon from the lower stop layer 2 and to compensate for prone inhomogeneities. Since the complete process can be carried out isotropically, removal rates are extremely high (typically 100 μm / min or more) and the process time is very short (only a few minutes). Alternatively, it is also possible to wet etch, for example in hot potassium hydroxide solution using an etching mask as front side protection. Fig. 15 shows the state of the wafer day after the removal of the lower stop layer 2 by liquid or vapor HF. In this case, too, it is advisable to remove all oxide in order to remove unwanted compressive stresses from the mechanical structure. The function of the illustrated actuators A1 to A3 will be explained in the general part of the description.
Zusammenfassend wird in den Figuren ein Herstellungsprozess vorgeschlagen, der in beiden gezeigten Varianten (Silizium- wafer/SOI-Wafer) ausschließlich aus Standardprozessschritten der Mikrosystemtechnik bzw. der Halbleitertechnik basiert. Zu keinem Zeitpunkt des Prozesses treten fragile Wa- ferzustände oder Waferzwischenzustände auf, in denen der Wafer bzw. der Waferaufbau durch Folien oder ähnliche aufwändige Sondermaßnahmen stabilisiert werden müsste. In allen Prozessstadien hat man es vielmehr mit robusten Aufbauten zu tun, die ohne Besonderheiten gehandhabt und prozessiert werden können. Alle Kanäle, durch die im Betrieb der Mikropumpe Flüssigkeiten strömen sollen, haben vergleichsweise große Kanalhöhen von beispielsweise 15 bis 24 μm und in Folge dessen geringe Strömungswiderstände und geringe "Totvolumina". Dies alles wird mit einem vergleichsweise einfachen und besonders kostengünstigen Prozess realisiert. In summary, a manufacturing process is proposed in the figures, which in both variants shown (silicon wafer / SOI wafer) is based exclusively on standard process steps of microsystem technology or semiconductor technology. At no point in the process do fragile wafer states or wafer intermediate states occur, in which the wafer or the wafer structure would have to be stabilized by means of films or similar costly special measures. Rather, in all stages of the process, it has to do with robust structures that can be handled and processed without special features. All channels through which liquids are to flow during operation of the micropump have comparatively large channel heights of, for example, 15 to 24 .mu.m and consequently low flow resistance and low "dead volumes". All this is realized with a comparatively simple and particularly cost-effective process.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe, vorzugsweise zum dosierten Fördern von Insulin, wobei auf der Vorderseite (V) einer eine Vorderseite und eine Rückseite aufweisenden ersten Trägerschicht (1) mehrere Schichten angeordnet und mikrofluidische Funktionselemente (12) durch Strukturieren mindestens einer der Schichten gebildet werden,1. A method for producing a micropump, preferably for the metered delivery of insulin, wherein a plurality of layers arranged on the front side (V) of a front and a back having first carrier layer (1) and microfluidic functional elements (12) formed by structuring at least one of the layers become,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass die Strukturierung der mindestens einen Schicht zum Herstellen sämtlicher mikrofluidischen Funktions- elemente (12) ausschließlich durch Vorderseitenstruk- turierung erfolgt.the structuring of the at least one layer for producing all microfluidic functional elements (12) takes place exclusively by front side structuring.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Trägerschicht (4), insbesondere ein Borosilikatglaswafer, mit Abstand zu der ersten Trägerschicht (1), vorzugsweise auf der Vorderseite der am weitesten von der ersten Trägerschicht (1) entfernten Schicht angeordnet, vorzugsweise anodisch gebon- det, wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a second carrier layer (4), in particular a Borosilikatglaswafer, spaced from the first carrier layer (1), preferably arranged on the front of the farthest from the first carrier layer (1) layer, preferably anodic is formed.
3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trägerschicht (4) vor oder nach dem Anordnen mit mindestens einem Fluidkanal (19, 20), vorzugsweise mit einem Zulaufkanal und einem Ablaufkanal, versehen wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that the second carrier layer (4) is provided before or after arranging with at least one fluid channel (19, 20), preferably with an inlet channel and an outlet channel.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trägerschicht (1) nach dem Anordnen der zweiten Trägerschicht (4), insbesondere durch isotro- pes Ätzen und/oder durch Rückschleifen und/oder durch Nassätzen, entfernt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the first carrier layer (1) is removed after arranging the second carrier layer (4), in particular by isotropic etching and / or by back grinding and / or by wet etching.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trägerschicht (1) während der Vorder- seitenstrukturierung unstrukturiert bleibt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the first carrier layer (1) remains unstructured during the front page structuring.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Trägerschicht (1) eine Siliziumschicht, insbesondere ein Siliziumwafer, verwendet wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a silicon layer, in particular a silicon wafer, is used as the first carrier layer (1).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht (1) eine, vorzugsweise Siliziumoxid enthaltende, Stoppschicht (2), insbesondere eine thermische Oxidschicht, angeordnet wird oder dass die Trägerschicht (1, 4) Bestandteil eines SOI-Waferaufbaus (6) mit einer integralen Stoppschicht (2) ist.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that directly on the front side of the first carrier layer (1), preferably containing a silicon oxide, stop layer (2), in particular a thermal oxide layer, is arranged or that the carrier layer (1, 4) Part of an SOI wafer structure (6) with an integral stop layer (2).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoppschicht (2) mit mindestens einem Kon- taktloch (3) zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Trägerschicht (1) und auf der Vorderseite der ersten Trägerschicht (1) angeordneten Schichten versehen wird. 8. The method according to claim 7, characterized in that the stop layer (2) provided with at least one contact hole (3) for establishing an electrical connection between the first carrier layer (1) and on the front side of the first carrier layer (1) arranged layers becomes.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Vorderseite der Stoppschicht (2) eine, insbesondere Silizium, enthaltende Basisschicht (5) angeordnet wird, oder dass die Basisschicht (5) integraler Bestandteil des SOI-Wafers (6) ist.9. The method according to any one of claims 7 or 8, characterized in that directly on the front of the stop layer (2), in particular silicon, containing base layer (5) is arranged, or that the base layer (5) is an integral part of the SOI wafer (6).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Vorderseite (V) der Basisschicht (5) eine, insbesondere Siliziumoxid enthaltende, insbesondere als Opferschicht ausgebildete bzw. dienende, Stoppschicht (7) angeordnet und strukturiert wird.10. The method according to claim 9, characterized in that directly on the front side (V) of the base layer (5), in particular a silica-containing, in particular designed as a sacrificial layer or serving, stop layer (7) is arranged and structured.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Vorderseite der auf der Basisschicht (5) angeordneten Stoppschicht (7) und auf der Vorderseite der Basisschicht (5) eine, insbesondere als EpiPoly- Siliziumschicht ausgebildete, Funktionsschicht (8) angeordnet wird.11. The method according to claim 10, characterized in that on the front side of the base layer (5) arranged stop layer (7) and on the front side of the base layer (5), in particular designed as EpiPoly silicon layer, functional layer (8) is arranged ,
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in die Funktionsschicht (8) mindestens eine Vertiefung in einem Bereich eingebracht wird, der mit der, bevorzugt auf der Vorderseite der Funktionsschicht (8) anzuordnenden, zweiten Trägerschicht (4) nicht in Kontakt kommen sollen. 12. The method according to claim 11, characterized in that in the functional layer (8) at least one recess is introduced in a region which does not come into contact with the, preferably on the front of the functional layer (8) to be arranged, the second carrier layer (4) should.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Vorderseite der Funktionsschicht (8) mindestens eine Antibond-Schicht (9) als Ventildichtflä- che und/oder auf die Rückseite der zweiten Trägerschicht (4) mindestens eine Antibond-Schicht (9) als Ventilsitzfläche angeordnet werden/wird.13. The method according to any one of claims 11 or 12, characterized in that on the front of the functional layer (8) at least one anti-adhesive layer (9) surface as Ventilildichtflä- and / or on the back of the second carrier layer (4) at least one antibond Layer (9) is arranged as a valve seat surface / is.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch Strukturieren der Funktionsschicht (8), vorzugsweise durch Trench-Ätzen, eine Einlassventilstruktur und/oder eine Pumpkammerstruktur und/oder eine Auslassventilstruktur eingebracht wird.14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that by structuring the functional layer (8), preferably by trench etching, an inlet valve structure and / or a pumping chamber structure and / or an outlet valve structure is introduced.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventilstruktur und/oder die Auslassventilstruktur mit mindestens einem Spiralfederab- schnitt, vorzugsweise mit mehreren verschachtelten Spiralfederabschnitten, erzeugt wird.15. The method according to claim 14, characterized in that the inlet valve structure and / or the outlet valve structure with at least one spiral spring section, preferably with a plurality of interleaved spiral spring sections, is generated.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere als Opferschicht ausgebildete, Stoppschicht (7) auf der Vorderseite der Basisschicht (5), zumindest teilweise, insbesondere mit flüssiger und/oder dampfförmiger Flusssäure, entfernt wird.16. The method according to any one of claims 14 or 15, characterized in that, in particular formed as a sacrificial layer, stop layer (7) on the front side of the base layer (5), at least partially, in particular with liquid and / or vaporous hydrofluoric acid, is removed.
17. Mikropumpe, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, vorzugsweise zum dosierten Fördern von Insulin, mit mehreren Funktionselementen (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente (12) ausschließlich durch Strukturierung aus einer Richtung hergestellt sind.17. Micropump, in particular produced by a method according to one of the preceding claims, preferably for the metered delivery of insulin, with a plurality of functional elements (12), characterized in that the functional elements (12) are produced exclusively by structuring from one direction.
18. Mikropumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropumpe eine Trägerschicht (1, 4), insbesondere eine Borosilikatglasschicht, aufweist, in der mindestens ein Fluidkanal (19, 20), insbesondere ein Einlasskanal und/oder ein Auslasskanal, eingebracht ist und die vorzugsweise die Pumpkammer (15) unmittelbar begrenzt.18. Micropump according to claim 17, characterized in that the micropump has a carrier layer (1, 4), in particular a borosilicate glass layer, in which at least one fluid channel (19, 20), in particular an inlet channel and / or an outlet channel, is introduced and which preferably directly limits the pumping chamber (15).
19. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (13) der Mikropumpe mindestens eine einen Ventilstempel (14, 17) tragenden Spiralfeder (18), vorzugsweise mehrere ineinander verschach- telte Spiralfedern (18), aufweist.19. Micropump according to one of claims 18 or 19, characterized in that the inlet valve (13) of the micropump at least one a valve stem (14, 17) supporting coil spring (18), preferably a plurality of nested spiral springs (18).
20. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (13) und/oder das Auslassventil (16) der Mikropumpe mittels mindestens eines Aktuators (Al- A3) aktiv abdichtbar ist.20. Micropump according to one of claims 17 to 19, characterized in that the inlet valve (13) and / or the outlet valve (16) of the micropump by means of at least one actuator (Al-A3) is actively sealable.
21. Mikropumpe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventildichtfläche des Einlassventils (13) und/oder eine Ventildichtfläche des Auslassventils (16) mittels eines Aktuators (A1-A3) gegen die Trägerschicht (1, 4) pressbar ist. 21. A micropump according to claim 20, characterized in that a valve sealing surface of the inlet valve (13) and / or a valve sealing surface of the outlet valve (16) by means of an actuator (A1-A3) against the carrier layer (1, 4) can be pressed.
22. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einlassventil (13), dem Auslassventil (16) und der Pumpkammer (15) jeweils mindestens ein Aktua- tor (Al -A3) , vorzugsweise jeweils ein Piezoaktuator, unmittelbar zugeordnet sind.22. Micropump according to one of claims 17 to 21, characterized in that the inlet valve (13), the outlet valve (16) and the pumping chamber (15) each at least one actuator (Al -A3), preferably in each case a piezoelectric actuator, directly assigned.
23. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass nur dem Einlassventil (13) und dem Auslassventil (16) jeweils mindestens ein Aktuator (Al, A3) unmittelbar zugeordnet sind, und dass der Pumpvorgang durch eine Ansteuerung mindestens eines dieser Aktuatoren (Al, A3) steuerbar ist, 23. Micropump according to one of claims 17 to 21, characterized in that only the inlet valve (13) and the outlet valve (16) each at least one actuator (Al, A3) are assigned directly, and that the pumping operation by driving at least one of these Actuators (Al, A3) is controllable,
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