WO1996000849A1 - Micropump - Google Patents

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WO1996000849A1
WO1996000849A1 PCT/DE1995/000841 DE9500841W WO9600849A1 WO 1996000849 A1 WO1996000849 A1 WO 1996000849A1 DE 9500841 W DE9500841 W DE 9500841W WO 9600849 A1 WO9600849 A1 WO 9600849A1
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Torsten Gerlach
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Torsten Gerlach
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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    • F05C2203/02—Glass
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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    • F05C2203/08—Ceramics; Oxides
    • F05C2203/0865—Oxide ceramics
    • F05C2203/0886—Silica

Definitions

  • the invention relates to a micropump.
  • the micropump has dynamic passive valves and is used especially for the conveyance of gases and liquids. It can be produced very advantageously using known semiconductor technologies and is suitable for use in integrated microsystems. State of the art
  • a micropump based on silicon which essentially consists of three identical piezoelectrically driven valve elements which are arranged in series in terms of flow technology.
  • the sagging membrane does volume work and creates a corresponding pressure on the fluid. If the individual valves are actuated in a suitable three-phase cycle, the fluid is conveyed in a certain direction, which is determined by the peristaltic wave.
  • micropump also suitable for system integration, is presented in CH-PS 04055/89. It contains a piezoelectrically driven membrane which periodically pressurizes the fluid to be pumped. Two passive micro valves at the inlet and outlet of the pump rectify this alternating pressure and thus determine the direction of flow.
  • the working principle corresponds structurally to the classic piston pump.
  • micropumps have in common the relatively complicated mechanical structure, which complicates the use of microtechnologies and increases the manufacturing costs.
  • a strongly structured hydraulic line system can be realized by multiple lithography, combined with a corresponding number of etching processes.
  • the joining of the different layers into a sandwich is associated with some technological difficulties.
  • the micropumps take up a relatively large area on the carrier substrate. This is countered by the high metering accuracy and a relatively high pump pressure, but also by a comparatively low delivery rate, which can be explained, among other things, by the high flow resistances and the pass times of the fluids flowing through, which are quite noteworthy in connection with the relatively large dead volumes leads.
  • a valveless micropump which also effects periodic pressure impressing on the flowing medium by an actuator device, generally a vibrating membrane.
  • an actuator device generally a vibrating membrane.
  • the rectification is carried out partially by a structure which is anisotropic from a fluidic point of view without any moving mechanical functional elements.
  • An anisotropic structure is, inter alia, a gap-like region which is otherwise not specified and which is designed as a sawtooth.
  • Whose Manufacturing with the microtechnologies is complicated, however, since the sawtooth shape does not necessarily have to coincide with the crystal structure of the substrate material, and this makes the use of anisotropic etching processes more difficult.
  • the proposed embodiment whose sawtooth-like geometry is realized by arranging two V-shaped gap-like structures one behind the other, requires costly precision joining methods given the dimensions specified in the micrometer range.
  • the micropump according to the invention has the advantage over the arrangements just recognized that it has a very simple geometric structure that can be produced in an uncomplicated manner by a few microtechnological processes.
  • the necessary joining steps can be reduced to a minimum depending on the number and required accuracy.
  • the micro pump is particularly suitable for inexpensive mass production.
  • the space requirement of the micropump according to the invention is significantly reduced, especially in comparison to the two documents first recognized.
  • the simple geometry of the micro-pump according to the invention optimizes the fluidodynamic system, which increases the maximum possible working frequency, volume flow and pump pressure.
  • a particularly advantageous embodiment of the micropump provides at least two dynamic passive microvalves, which consist of a microflow channel with a truncated pyramid-shaped geometry.
  • the channel cross section along the axis of symmetry thus decreases continuously in one direction up to its narrowest point, in order then to suddenly widen.
  • This shape of the microflow channel has the effect that its flow resistance depends on the direction of flow at sufficiently high flow velocities.
  • the microchannel described is therefore able to partially rectify an alternating flow according to the principle "two steps forward - one step back", as a result of which a net volume flow is brought about in a preferred flow direction. Since this effect only occurs at higher speeds, it is referred to as a dynamic microvalve.
  • Such dynamic microvalves are used in a micropump according to claim 1.
  • FIG. 1 shows a perspective illustration of a first exemplary embodiment of a micropump
  • FIG. 2 shows a section along the line 1-1 in FIG. 1
  • FIG. 3 shows a section along the line 2-2 in FIG. 1
  • FIG. 4 to FIG. 7 shows a second to fifth exemplary embodiment a micropump.
  • the micropump according to the invention consists of an essentially closed pump chamber 3, which is filled with the fluid to be pumped and which is periodically impressed by a suitable drive device 4. Furthermore, the micropump contains at least two of the described dynamic microvalves 5, which serve in the form of flow channels as the inlet or outlet opening of the pumping chamber 3.
  • the micropump is characterized in particular by its very simple construction, which can be produced very advantageously, for example, using generally known microtechnologies such as photolithography and anisotropic etching on the basis of silicon and glass.
  • the dynamic microvalves 5 can be implemented in a ⁇ 100> -oriented silicon wafer in such a way that, starting from a sufficiently large opening in the etching mask, the material removal proceeds by means of an anisotropic etching solution such as KOH over the entire wafer thickness.
  • the resulting channel is laterally delimited by four crystallographic ⁇ 111> surfaces, which results in its truncated pyramidal geometry.
  • the respectively opposite ⁇ 111> surfaces enclose an angle of approximately 70 °.
  • a line 14, which runs in the middle in the main flow direction, represents the axis of symmetry of the dynamic microvalve 5. It is perpendicular to the wafer surface.
  • a membrane 7 is particularly suitable for the drive device 4, which is excited electromagnetically, electrostatically, pneumatically or piezoelectrically and executes bending vibrations indicated by the double arrow 16.
  • the piezoelectric drive can advantageously be carried out using a bimorph.
  • the pump chamber 3 is fixed in an element 10, 11, 11a or 11b and 11c by suitable microtechnologies. This can be done, for example, by photolithography with a subsequent etching step in silicon or glass as the starting material. If an appropriate etching stop method is used, the material removal can be stopped before the element 10 is completely penetrated, as a result of which the membrane 7 of the drive device 4 is formed. As such an etch stop special, on the Starting material of the element 10 previously applied layers, such as silicon oxide or silicon nitride on a silicon substrate, are understood, on which the etching process comes to a standstill and which are exposed by the material removal and thus fix the membrane 7.
  • the pump chamber 3 is closed on a side 12 facing away from the drive device 4 by the wafer 6, which contains the dynamic microvalves 5 and which is connected to the element 10, 11, 11a or 11c.
  • the element 11, 11a or 11b and 11c containing the pump chamber 3 can be open per se on a side 13 facing away from the wafer 6, realized, for example, by an etching step which runs completely through the element 11, 11a or 11b and 11c.
  • the membrane 7 is then attached as a thin material or film 15 with suitable joining methods on the element 11, 11a or 11b, whereby the pump chamber 3 is closed. This is possible, for example, by applying a glass foil, which forms the membrane 7, to the element 11, 11a or 11b by anodic bonding.
  • Typical dimensions of the dynamic micropump according to the invention are for: the cross section of the dynamic microvalves 5 at the narrowest point between one micrometer and five hundred micrometers, the extension of the dynamic microvalves 5 along the axes of symmetry
  • the typical oscillation frequency of the membrane 7 is between one hundred hertz and twenty kilohertz.
  • the dynamic microvalves 5 are implemented in an anti-parallel arrangement in the double-sided polished silicon wafer 6.
  • the element 10, which is firmly connected to the wafer 6 on the side 12 facing away from the membrane 7, contains the pump chamber 3, which is produced by an anisotropic etching step and has a truncated pyramidal geometry.
  • a thin material residue remains on a side of the pump chamber 3 facing away from the dynamic microvalves 5, which forms the membrane 7.
  • the membrane 7, which is part of the drive device 4, which is otherwise not described in detail, carries out bending vibrations identified by the double arrow 16.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of the micropump, the pump chamber 3 of which is fixed in the element 11 by an anisotropic etching step and has a truncated pyramidal geometry.
  • the ele- element 11 is closed on the side 13 by means of the membrane 15 serving as membrane 7, which is fastened on the element 11.
  • the third exemplary embodiment of the micropump shown in FIG. 5 differs from the previous one in that the pump chamber 3 has a smaller dead volume instead of the element 11 due to the modified element 11a.
  • the element 11a contains two partial structures 17 and 18 with different cross-sectional areas, the mutually facing end faces of which partially coincide within the element 11a, the larger partial structure 17 with the membrane 7 and the smaller partial structure 18 with the wafer 6 containing the dynamic microvalves 5 is in direct connection.
  • the element 11a can be produced, for example, in that after double-sided lithography with different mask sizes in each case, an anisotropic etching process proceeds from the sides 12 and 13 until the etching fronts meet.
  • the pump chamber 3 is defined by the partial element 11b, which contains an opening with a larger cross-sectional area, and the partial element 11c, which contains an opening with a smaller cross-sectional area, instead of the element 11a, the partial element 11b with the membrane 7 and the partial element 11c is connected to the wafer 6 and the two sub-elements 11b and 11c are firmly connected to one another on a joining surface 19.
  • the drive device 4 is defined by the membrane 7 and a piezo element 9, the piezo element 9 being arranged on the membrane 7 and forming a bimorph structure with it.
  • the piezo element 9 is either a piezo plate, which is attached to the membrane 7, for example by an adhesive connection, or in the integrated form around a piezoelectrically active which is physically and chemically deposited on the membrane 7 with known microtechnologies and subsequently structured Layer.

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Abstract

Known micropumps are characterised by a relatively complex design that in general is difficult to produce and mount. In addition, the pump capacities they can achieve are limited. A new micropump should have a more simple design that is easier to manufacture in series and should allow higher pump rates thanks to improved dynamic properties. For that purpose, at least two dynamic microvalves (5) are used to rectify an alternating current generated by a driving oscillator (4). The microvalves substantially consist of a microchannel the cross-section of which continuously diminishes in the flow direction up to its narrowest spot. Moving mechanical parts are not required, so that the dynamic microvalves may be produced in the most simple manner, for example in silicon. The simple hydraulic system of the micropump allows high working frequencies and thus high pump rates. This micropump is useful above all in microsystem technology, for example as driving element in microhydraulic or micropneumatic systems.

Description

Mikropumpe Micropump
Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe. Die Mikropumpe hat dynamische passive Ventile und dient besonders zur För¬ derung von Gasen und Flüssigkeiten. Sie ist sehr vorteilhaft mit bekannten Halbleitertechnologien herstellbar und für den Einsatz in integrierten Mikrosy- stemen geeignet. Stand der TechnikThe invention relates to a micropump. The micropump has dynamic passive valves and is used especially for the conveyance of gases and liquids. It can be produced very advantageously using known semiconductor technologies and is suitable for use in integrated microsystems. State of the art
Aus der NL-PS 8302860 ist bereits eine Mikropumpe auf Siliziumbasis bekannt, die im wesentlichen aus drei identischen piezoelektrisch angetriebenen Ventil¬ elementen, welche stömungstechnisch in Reihe angeordnet sind, besteht. Beim Öffnen und Schließen dieser aktiven Ventile, verrichtet die sich durchbiegende Membran Volumenarbeit und erzeugt einen entsprechenden Druck auf das Fluid. Werden die einzelnen Ventile in einem geeigneten Dreiphasentakt ange¬ steuert, so erfährt das Fluid eine Beförderung in eine bestimmte Richtung, die durch die peristaltische Welle bestimmt ist.From NL-PS 8302860 a micropump based on silicon is already known, which essentially consists of three identical piezoelectrically driven valve elements which are arranged in series in terms of flow technology. When these active valves are opened and closed, the sagging membrane does volume work and creates a corresponding pressure on the fluid. If the individual valves are actuated in a suitable three-phase cycle, the fluid is conveyed in a certain direction, which is determined by the peristaltic wave.
Eine andere Mikropumpe, ebenfalls für die Systemintegration geeignet, wird in der CH-PS 04055/89 vorgestellt. Sie enthält eine piezoelektrisch angetriebene Membran, welche das zu fördernde Fluid periodisch unter Druck setzt. Zwei passive Mikroventile am Ein- bzw. Ausgang der Pumpe richten diesen Wech- seidruck gleich und legen damit die Strömungsrichtung fest. Das Arbeitsprinzip entspricht strukturell der klassischen Kolbenpumpe.Another micropump, also suitable for system integration, is presented in CH-PS 04055/89. It contains a piezoelectrically driven membrane which periodically pressurizes the fluid to be pumped. Two passive micro valves at the inlet and outlet of the pump rectify this alternating pressure and thus determine the direction of flow. The working principle corresponds structurally to the classic piston pump.
Beiden beschriebenen Mikropumpen ist der relativ komplizierte mechanische Aufbau gemein, der den Einsatz der Mikrotechnologien erschwert und die Her- Stellungskosten erhöht. Insbesondere ist ein stark strukturiertes hydraulisches Leitungssystem durch Mehrfach-Lithographie, verbunden mit einer entsprechen¬ den Anzahl von Ätzprozessen, zu realisieren. Außerdem ist das Fügen der verschiedenen Schichten zu einem Sandwich mit einigen technologischen Schwierigkeiten verbunden. Schließlich nehmen die Mikropumpen, bedingt durch das Funktionsprinzip, eine relativ große Fläche auf dem Trägersubstrat ein. Dem stehen zwar die hohe Dosiergenauigkeit und ein relativ hoher Pump¬ druck, jedoch auch eine vergleichsweise geringe Förderleistung gegenüber, welche unter anderem durch die hohen Strömungswiderstände zu erklären ist und die im Zusammenhang mit den relativ großen Totvolumina zu recht beacht- liehen Passierzeiten der durchströmenden Fluide führt.Both described micropumps have in common the relatively complicated mechanical structure, which complicates the use of microtechnologies and increases the manufacturing costs. In particular, a strongly structured hydraulic line system can be realized by multiple lithography, combined with a corresponding number of etching processes. In addition, the joining of the different layers into a sandwich is associated with some technological difficulties. Finally, due to the principle of operation, the micropumps take up a relatively large area on the carrier substrate. This is countered by the high metering accuracy and a relatively high pump pressure, but also by a comparatively low delivery rate, which can be explained, among other things, by the high flow resistances and the pass times of the fluids flowing through, which are quite noteworthy in connection with the relatively large dead volumes leads.
Aus der DE-PS 42 23 019 ist eine ventillose Mikropumpe bekannt, die durch eine Aktorvorrichtung, im allgemeinen eine schwingende Membran, ebenfalls eine periodische Druckeinprägung auf das strömende Medium bewirkt. Jedoch erfolgt die Gleichrichtung partiell durch eine in strömungstechnischer Hinsicht anisotrope Struktur ohne jegliche bewegte mechanische Funktionselemente. Als anisotrope Struktur wird unter anderem ein ansonsten nicht näher bezeich¬ neter spaltartiger Bereich genannt, der sägezahnartig ausgeführt ist. Dessen Herstellung mit den Mikrotechnologien gestaltet sich jedoch kompliziert, da die Sägezahnform nicht zwangsläufig mit der Kristallstruktur des Substratmaterials zusammenfallen muß und sich dadurch der Einsatz anisotroper Ätzverfahren erschwert. Das vorgeschlagene Ausführungsbeispiel, dessen sägezahnartge Geometrie durch die Anordnung zweier V-förmiger spaltartiger Strukturen hin¬ tereinander realisiert ist, erfordert bei den angegebenen Abmessungen im Mi¬ krometerbereich jedoch kostspielige Präzisionsfügeverfahren.From DE-PS 42 23 019 a valveless micropump is known, which also effects periodic pressure impressing on the flowing medium by an actuator device, generally a vibrating membrane. However, the rectification is carried out partially by a structure which is anisotropic from a fluidic point of view without any moving mechanical functional elements. An anisotropic structure is, inter alia, a gap-like region which is otherwise not specified and which is designed as a sawtooth. Whose Manufacturing with the microtechnologies is complicated, however, since the sawtooth shape does not necessarily have to coincide with the crystal structure of the substrate material, and this makes the use of anisotropic etching processes more difficult. However, the proposed embodiment, whose sawtooth-like geometry is realized by arranging two V-shaped gap-like structures one behind the other, requires costly precision joining methods given the dimensions specified in the micrometer range.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Mikropumpe entsprechend Anspruch 1 hat gegenüber den soeben gewürdigten Anordnungen den Vorteil einer sehr einfachen geome¬ trischen Struktur, die durch wenige mikrotechnologische Verfahren unkompli¬ ziert herstellbar ist. Die notwendigen Fügeschritte sind dabei nach Anzahl und erforderlicher Genauigkeit auf ein Minimum reduzierbar. Dadurch ist die Mikro¬ pumpe für die preiswerte Massenherstellung besonders geeignet. Vor allem gegenüber den beiden zuerst gewürdigten Schriften ist der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Mikropumpe deutlich verringert. Andererseits bewirkt die einfache Geometrie der er indungsgemäßen Mikro¬ pumpe eine Optimierung des fluidodynamischen Systems, wodurch sich die maximal mögliche Arbeitsfrequenz, Volumenstrom und Pumpdruck erhöhen.The micropump according to the invention has the advantage over the arrangements just recognized that it has a very simple geometric structure that can be produced in an uncomplicated manner by a few microtechnological processes. The necessary joining steps can be reduced to a minimum depending on the number and required accuracy. As a result, the micro pump is particularly suitable for inexpensive mass production. The space requirement of the micropump according to the invention is significantly reduced, especially in comparison to the two documents first recognized. On the other hand, the simple geometry of the micro-pump according to the invention optimizes the fluidodynamic system, which increases the maximum possible working frequency, volume flow and pump pressure.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Mikropumpe sieht wenigstens zwei dynamische passive Mikroventile vor, welche aus einem Mikroströmungskanal mit pyramidenstumpfförmrger Geometrie bestehen. Damit verringert sich der Kanalquerschnitt entlang der Symmetrieachse in der einen Richtung kontinuier¬ lich bis zu seiner engsten Stelle, um sich dann plötzlich zu erweitern. Diese Form des Mikroströmungskanals bewirkt, daß sein Strömungswiderstand bei genügend hohen Strömungsgeschwindigkeiten von der Strömungsrichtung ab¬ hängt.A particularly advantageous embodiment of the micropump provides at least two dynamic passive microvalves, which consist of a microflow channel with a truncated pyramid-shaped geometry. The channel cross section along the axis of symmetry thus decreases continuously in one direction up to its narrowest point, in order then to suddenly widen. This shape of the microflow channel has the effect that its flow resistance depends on the direction of flow at sufficiently high flow velocities.
Der beschriebene Mikrokanal ist demzufolge in der Lage, eine alternierende Strömung nach dem Prinzip "zwei Schritte vorwärts - einen Schritt zurück" par¬ tiell gleichzurichten, wodurch ein Nettovolumenstrom in einer bevorzugten Strö¬ mungsrichtung bewirkt wird. Da dieser Effekt nur bei höheren Geschwindigkei¬ ten auftritt, wird er als dynamisches Mikroventil bezeichnet. Derartige dynamische Mikroventile sind in einer Mikropumpe gemäß Patent¬ anspruch 1 eingesetzt.The microchannel described is therefore able to partially rectify an alternating flow according to the principle "two steps forward - one step back", as a result of which a net volume flow is brought about in a preferred flow direction. Since this effect only occurs at higher speeds, it is referred to as a dynamic microvalve. Such dynamic microvalves are used in a micropump according to claim 1.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description.
Ers Es zeigen Figur 1 eine Perspektivdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Mikropumpe, Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie 1-1 in Figur 1 , Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Figur 1 sowie Figur 4 bis Figur 7 ein zweites bis fünftes Ausführungsbeispiel einer Mikropumpe.Ers FIG. 1 shows a perspective illustration of a first exemplary embodiment of a micropump, FIG. 2 shows a section along the line 1-1 in FIG. 1, FIG. 3 shows a section along the line 2-2 in FIG. 1, and FIG. 4 to FIG. 7 shows a second to fifth exemplary embodiment a micropump.
Beschreibung der AusführunαsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Die erfindungsgemäße Mikropumpe besteht aus einer im wesentlichen ge- schlossenen Pumpkammer 3, die mit dem zu fördernden Fluid gefüllt ist und welcher durch eine geeignete Antriebsvorrichtung 4 eine periodische Druck- und Volumenänderung aufgeprägt wird. Weiterhin enthält die Mikropumpe min¬ destens zwei der beschriebenen dynamischen Mikroventile 5, die in Form von Strömungskanälen als Ein- bzw. als Auslaßöffnung der Pumpkammer 3 dienen.The micropump according to the invention consists of an essentially closed pump chamber 3, which is filled with the fluid to be pumped and which is periodically impressed by a suitable drive device 4. Furthermore, the micropump contains at least two of the described dynamic microvalves 5, which serve in the form of flow channels as the inlet or outlet opening of the pumping chamber 3.
Die Mikropumpe zeichnet sich insbesondere durch ihren sehr einfachen Aufbau aus, der sich zum Beispiel sehr vorteilhaft mit allgemein bekannten Mikrotech- nologien wie Photolithographie und anisotropes Ätzen auf der Basis von Silizi- um und Glas herstellen läßt.The micropump is characterized in particular by its very simple construction, which can be produced very advantageously, for example, using generally known microtechnologies such as photolithography and anisotropic etching on the basis of silicon and glass.
So können die dynamischen Mikroventile 5 in einem <100>-orientierten Silizi- umwafer dergestalt realisiert werden, daß, ausgehend von einer genügend großen Öffnung in der Ätzmaske, der Materialabtrag mittels eines anisotropen Ätzlösung wie KOH über die vollständige Waferdicke voranschreitet. Der dabei entstehende Kanal wird seitlich durch vier kristallographische <111>-Flächen begrenzt, wodurch sich seine pyramidenstumpfförmige Geometrie ergibt. Die jeweils gegenüberliegenden <111>-Flächen schließen hierbei einen Winkel von etwa 70° ein. Eine Linie 14, welche in der Mitte in Hauptströmungsrichtung verläuft, stellt die Symmetrieachse des dynamischen Mikroventils 5 dar. Sie steht senkrecht auf der Waferoberfläche. Durch Anwendung der Doppelseiten¬ lithographie auf einem zweiseitig polierten Wafer 6 können die für den Ein¬ bzw. Auslaß bestimmten dynamischen Mikroventile 5 in einer antiparallelen An¬ ordnung auf einem gemeinsamen Substrat in einem Technologiegang herge- stellt werden.Thus, the dynamic microvalves 5 can be implemented in a <100> -oriented silicon wafer in such a way that, starting from a sufficiently large opening in the etching mask, the material removal proceeds by means of an anisotropic etching solution such as KOH over the entire wafer thickness. The resulting channel is laterally delimited by four crystallographic <111> surfaces, which results in its truncated pyramidal geometry. The respectively opposite <111> surfaces enclose an angle of approximately 70 °. A line 14, which runs in the middle in the main flow direction, represents the axis of symmetry of the dynamic microvalve 5. It is perpendicular to the wafer surface. By using double-sided lithography on a double-sided polished wafer 6, the dynamic microvalves 5 intended for the inlet and outlet can be produced in an antiparallel arrangement on a common substrate in one technology step.
Für die Antriebsvorrichtung 4 ist vor allem eine Membran 7 geeignet, die elek¬ tromagnetisch, elektrostatisch, pneumatisch oder piezoelektrisch angeregt wird und mit dem Doppelpfeil 16 bezeichnete Biegeschwingungen ausführt. Der pie- zoelektrische Antrieb kann günstigerweise durch einen Bimorph erfolgen.A membrane 7 is particularly suitable for the drive device 4, which is excited electromagnetically, electrostatically, pneumatically or piezoelectrically and executes bending vibrations indicated by the double arrow 16. The piezoelectric drive can advantageously be carried out using a bimorph.
Die Pumpkammer 3 ist durch geeignete Mikrotechnologien in einem Element 10, 11 , 11a bzw. 11b und 11c festgelegt. Dies kann beispielsweise durch Pho¬ tolithographie mit einem anschließenden Ätzschritt in Silizium oder Glas als Ausgangsmaterial geschehen. Bei Verwendung eines entsprechenden Ätz¬ stoppverfahrens kann der Materialabtrag vor der vollständigen Durchdringung des Elementes 10 abgebrochen werden, wodurch die Membran 7 der Antriebs¬ vorrichtung 4 entsteht. Als ein solcher Ätzstopp sollen auch spezielle, auf dem Ausgangsmaterial des Elementes 10 vorher aufgebrachte Schichten, wie zum Beispiel Siliziumoxid oder Siliziumnitrid auf einem Siliziumträger, verstanden werden, an denen der Ätzvorgang zum Erliegen kommt und die durch den Ma¬ terialabtrag freigelegt werden und damit die Membran 7 festlegen.The pump chamber 3 is fixed in an element 10, 11, 11a or 11b and 11c by suitable microtechnologies. This can be done, for example, by photolithography with a subsequent etching step in silicon or glass as the starting material. If an appropriate etching stop method is used, the material removal can be stopped before the element 10 is completely penetrated, as a result of which the membrane 7 of the drive device 4 is formed. As such an etch stop special, on the Starting material of the element 10 previously applied layers, such as silicon oxide or silicon nitride on a silicon substrate, are understood, on which the etching process comes to a standstill and which are exposed by the material removal and thus fix the membrane 7.
Die Pumpkammer 3 ist auf einer der Antriebsvorrichtung 4 abgewandten Seite 12 durch den Wafer 6, welcher die dynamischen Mikroventile 5 enthält und der mit dem Element 10, 11 , 11a bzw. 11c verbunden ist, geschlossen. Das die Pumpkammer 3 enthaltende Element 11 , 11a bzw. 11b und 11c kann auf einer dem Wafer 6 abgewandten Seite 13 an sich offen sein, realisiert zum Beispiel durch einen das Element 11 , 11a bzw. 11 b und 11c vollständig durch¬ laufenden Ätzschritt. Die Membran 7 wird dann als dünnes Material oder Folie 15 mit geeigneten Fügeverfahren auf dem Element 11 , 11a bzw. 11 b befestigt, wodurch die Pumpkammer 3 geschlossen wird. Das ist zum Beispiel möglich, indem eine Glasfolie, welche die Membran 7 bildet, durch anodisches Bonden auf dem Element 11 , 11a bzw. 11 b aufgebracht wird.The pump chamber 3 is closed on a side 12 facing away from the drive device 4 by the wafer 6, which contains the dynamic microvalves 5 and which is connected to the element 10, 11, 11a or 11c. The element 11, 11a or 11b and 11c containing the pump chamber 3 can be open per se on a side 13 facing away from the wafer 6, realized, for example, by an etching step which runs completely through the element 11, 11a or 11b and 11c. The membrane 7 is then attached as a thin material or film 15 with suitable joining methods on the element 11, 11a or 11b, whereby the pump chamber 3 is closed. This is possible, for example, by applying a glass foil, which forms the membrane 7, to the element 11, 11a or 11b by anodic bonding.
Typische Abmessungen der erfindungsgemäßen dynamischen Mikropumpe betragen für: den Querschnitt der dynamischen Mikroventile 5 an der engsten Stelle zwi¬ schen einem Mikrometer und fünfhundert Mikrometer, die Ausdehnung der dynamischen Mikroventile 5 entlang der SymmetrieachsenTypical dimensions of the dynamic micropump according to the invention are for: the cross section of the dynamic microvalves 5 at the narrowest point between one micrometer and five hundred micrometers, the extension of the dynamic microvalves 5 along the axes of symmetry
14 zwischen zehn Mikrometer und einem Millimeter, die Dicke der Membran 7 zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter, die Ausdehnung der Membranfläche zwischen fünfhundert Mikrometer und zwanzig Millimeter und die Pumpkammerhöhe senkrecht zu dem Wafer 6 zwischen zehn Mikrometer und fünf Millimeter. Die typische Schwingfrequenz der Membran 7 liegt zwischen einhundert Hertz und zwanzig Kilohertz.14 between ten micrometers and one millimeter, the thickness of the membrane 7 between one micrometer and one millimeter, the expansion of the membrane surface between five hundred micrometers and twenty millimeters and the pump chamber height perpendicular to the wafer 6 between ten micrometers and five millimeters. The typical oscillation frequency of the membrane 7 is between one hundred hertz and twenty kilohertz.
Die Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel. Die dynamischen Mikroventile 5 sind in einer antiparallelen Anordnung in dem zweiseitig polierten Silizium-Wafer 6 realisiert. Das Element 10, welches auf der der Membran 7 abgewandten Seite 12 fest mit dem Wafer 6 verbunden ist, ent¬ hält die Pumpkammer 3, die durch einen anisotropen Ätzschritt erzeugt wird und eine pyramidenstumpfförmige Geometrie aufweist. Durch ein Ätzstoppver- fahren bleibt ein dünner Materialrest auf einer den dynamischen Mikroventilen 5 abgewandten Seite der Pumpkammer 3 stehen, der die Membran 7 bildet. Die Membran 7, welche Bestandteil der ansonsten nicht näher bezeichneten An¬ triebsvorrichtung 4 ist, führt mit dem Doppelpfeil 16 gekennzeichnete Biege¬ schwingungen aus.1 to 3 show a first embodiment. The dynamic microvalves 5 are implemented in an anti-parallel arrangement in the double-sided polished silicon wafer 6. The element 10, which is firmly connected to the wafer 6 on the side 12 facing away from the membrane 7, contains the pump chamber 3, which is produced by an anisotropic etching step and has a truncated pyramidal geometry. By means of an etching stop method, a thin material residue remains on a side of the pump chamber 3 facing away from the dynamic microvalves 5, which forms the membrane 7. The membrane 7, which is part of the drive device 4, which is otherwise not described in detail, carries out bending vibrations identified by the double arrow 16.
In der Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Mikropumpe dargestellt, deren Pumpkammer 3 in dem Element 11 durch einen anisotropen Ätzschritt festgelegt ist und eine pyramidenstumpfförmige Geometrie aufweist. Das Ele- ment 11 ist auf der Seite 13 mittels der als Membran 7 dienenden Folie 15, die auf dem Element 11 befestigt ist, verschlossen.4 shows a second exemplary embodiment of the micropump, the pump chamber 3 of which is fixed in the element 11 by an anisotropic etching step and has a truncated pyramidal geometry. The ele- element 11 is closed on the side 13 by means of the membrane 15 serving as membrane 7, which is fastened on the element 11.
Das in Fig. 5 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel der Mikropumpe unterscheidet sich von dem vorhergehenden insoweit, daß die Pumpkammer 3 durch das modifizierte Element 11a anstelle des Elementes 11 ein geringeres Totvolumen aufweist. Das Element 11a enthält zwei Teilstrukturen 17 und 18 mit unter¬ schiedlich großer Querschnittsfläche, deren einander zugewandte Stirnflächen innerhalb des Elementes 11a teilweise zusammenfallen, wobei die größere Teilstruktur 17 mit der Membran 7 und die kleinere Teilstruktur 18 mit dem die dynamischen Mikroventile 5 enthaltenden Wafer 6 in direkter Verbindung steht. Das Element 11a kann zum Beispiel dadurch hergestellt werden, daß nach einer Doppelseitenlithographie mit jeweils unterschiedlicher Maskengröße ein anisotroper Ätzprozeß von den Seiten 12 und 13 her soweit voranschreitet, bis sich die Ätzfronten treffen.The third exemplary embodiment of the micropump shown in FIG. 5 differs from the previous one in that the pump chamber 3 has a smaller dead volume instead of the element 11 due to the modified element 11a. The element 11a contains two partial structures 17 and 18 with different cross-sectional areas, the mutually facing end faces of which partially coincide within the element 11a, the larger partial structure 17 with the membrane 7 and the smaller partial structure 18 with the wafer 6 containing the dynamic microvalves 5 is in direct connection. The element 11a can be produced, for example, in that after double-sided lithography with different mask sizes in each case, an anisotropic etching process proceeds from the sides 12 and 13 until the etching fronts meet.
Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Mikropumpe, welches dem vor¬ hergehenden in der relativen Verringerung des Totvolumens der Pumpkammer 3 entspricht. Die Pumpkammer 3 ist durch das Teilelement 11b, welches einen Durchbruch mit einer größeren Querschnittsfläche enthält, und das Teilelement 11c, welches einen Durchbruch mit einer kleineren Querschnittsfläche enthält, anstelle des Elementes 11a festgelegt, wobei das Teilelement 11 b mit der Membran 7 und das Teilelement 11 c mit dem Wafer 6 in Verbindung steht und beide Teilelement 11b und 11c an einer Fügefläche 19 fest miteinander verbun- den sind.6 shows a fourth exemplary embodiment of the micropump, which corresponds to the preceding one in the relative reduction in the dead volume of the pump chamber 3. The pump chamber 3 is defined by the partial element 11b, which contains an opening with a larger cross-sectional area, and the partial element 11c, which contains an opening with a smaller cross-sectional area, instead of the element 11a, the partial element 11b with the membrane 7 and the partial element 11c is connected to the wafer 6 and the two sub-elements 11b and 11c are firmly connected to one another on a joining surface 19.
In dem in Fig. 7 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel der Mikropumpe ist die Antriebsvorrichtung 4 durch die Membran 7 und ein Piezoelement 9 festge¬ legt, wobei das Piezoelement 9 auf der Membran 7 angeordnet ist und mit die- ser eine Bimorph-Struktur bildet. Das Piezoelement 9 ist entweder ein Piezop- lättchen, welches auf der Membran 7 zum Beispiel durch eine Klebeverbindung befestigt ist, oder in der integrierten Form um eine mit bekannten Mikrotechno- logien physikalisch-chemisch auf der Membran 7 abgeschiedene und nachfol¬ gend strukturierte piezoelektrisch aktive Schicht. In the fifth exemplary embodiment of the micropump shown in FIG. 7, the drive device 4 is defined by the membrane 7 and a piezo element 9, the piezo element 9 being arranged on the membrane 7 and forming a bimorph structure with it. The piezo element 9 is either a piezo plate, which is attached to the membrane 7, for example by an adhesive connection, or in the integrated form around a piezoelectrically active which is physically and chemically deposited on the membrane 7 with known microtechnologies and subsequently structured Layer.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikropumpe, insbesondere für zu pumpende Gase und Flüssigkeiten, mit einer Antriebsvorrichtung (4), mit wenigstens einem Element (10, 11 , 11a, 11b, 11c), auf das eine periodische Druck- und Volumenänderung durch die An¬ triebsvorrichtung (4) aufprägbar ist, und mit einem auf der der Antriebsvorrich¬ tung (4) abgewandten Seite (12) des Elements (10, 11 , 11a, 11b, 11c) ange¬ ordneten Wafer (6), dadurch gekennzeichnet, daß das Element (10, 11 , 11a, 11b, 11c) eine zur Antriebsvorrichtung (4) hin geschlossene Pumpkammer (3) aufweist und der Wafer (6) wenigstens zwei dynamische Mikroventile (5) hat, wobei sich der Querschnitt wenigstens eines dynamischen Mikroventils (5) zum Element (10, 11 , 11a, 11b, 11c) hin verjüngt und sich der Querschnitt wenig¬ stens eines dynamischen Mikroventils (5) zum Element (10, 11 , 11a, 11b, 11c) hin vergrößert und die wenigstens zwei dynamischen Mikroventile (5) in direkter Verbindung mit der im Element (10, 11 , 11a, 11b, 11c) vorgesehenen Pump¬ kammer (3) stehen.1. Micropump, in particular for gases and liquids to be pumped, with a drive device (4), with at least one element (10, 11, 11a, 11b, 11c), on which a periodic change in pressure and volume by the drive device (4 ) can be impressed, and with a wafer (6) arranged on the side (12) of the element (10, 11, 11a, 11b, 11c) facing away from the drive device (4), characterized in that the element (10 , 11, 11a, 11b, 11c) has a pump chamber (3) which is closed towards the drive device (4) and the wafer (6) has at least two dynamic microvalves (5), the cross section of at least one dynamic microvalve (5) being an element (10, 11, 11a, 11b, 11c) tapers and the cross section of at least one dynamic microvalve (5) increases towards the element (10, 11, 11a, 11b, 11c) and the at least two dynamic microvalves (5) in direct connection with that provided in the element (10, 11, 11a, 11b, 11c) Pump chamber (3) stand.
2. Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die dynami¬ schen Mikroventile (5) eine pyramidenstumpfförmige Gestalt aufweisen.2. Micropump according to claim 1, characterized in that the dynamic micro-valves (5) have a truncated pyramidal shape.
3. Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die pyrami- denstumpfförmigen dynamischen Mikroventile (5) einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. 3. Micropump according to claim 2, characterized in that the truncated pyramid-shaped dynamic microvalves (5) have a square or rectangular cross section.
4. Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das die4. Micropump according to claim 1, characterized in that the
Pumpkammer (3) festlegende Element (10, 11 , 11a, 11c) auf einer der An¬ triebsvorrichtung (4) abgewandten Seite (12) offen ist und durch die Befesti¬ gung des die dynamischen Mikroventile (5) enthaltenden Wafers (6) auf diesem Element (10, 11 , 11a, 11c) verschlossen wird.Element (10, 11, 11a, 11c) defining the pump chamber (3) is open on a side (12) facing away from the drive device (4) and by fastening the wafer (6) containing the dynamic microvalves (5) this element (10, 11, 11a, 11c) is closed.
5. Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs¬ vorrichtung (4) eine Membran (7), welche die Pumpkammer (3) auf einer dem Wafer (6) abgewandten Seite abschließt, enthält. 5. Micropump according to claim 1, characterized in that the drive device (4) contains a membrane (7) which closes the pump chamber (3) on a side facing away from the wafer (6).
6. Mikropumpe nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamischen Mikroventile (5) gegenüber der Membran (7) angeordnet sind und ihre Symmetrieachsen (14) senkrecht zur Oberfläche der Membran (7) verlau¬ fen. 6. Micropump according to claim 1 and 5, characterized in that the dynamic microvalves (5) are arranged opposite the membrane (7) and their axes of symmetry (14) are perpendicular to the surface of the membrane (7).
7. Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Pump¬ kammer (3) durch ein mehrteiliges Element (11b, 11c) dergestalt festgelegt ist, daß der Querschnitt der Pumpkammer (3) auf der dem Wafer (6) zugewandten Seite der Pumpkammer (3) geringer ist als auf der der Antriebsvorrichtung (4) zugewandten Seite der Pumpkammer (3).7. Micropump according to claim 1, characterized in that the pump chamber (3) is fixed by a multi-part element (11b, 11c) such that the cross section of the pump chamber (3) on the side of the pump chamber facing the wafer (6) (3) is less than on the side of the pump chamber (3) facing the drive device (4).
8. Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das die8. Micropump according to claim 1, characterized in that the
Pumpkammer (3) festlegende Element (11a) mindestens zwei Teilstrukturen (17, 18) unterschiedlicher Größe enthält, so daß der Querschnitt der Pumpkam¬ mer (3) auf der dem Wafer (6) zugewandten Seite der Pumpkammer (3) gerin¬ ger ist als auf der der Antriebsvorrichtung (4) zugewandten Seite der Pump¬ kammer (3).Pump chamber (3) defining element (11a) at least two substructures (17, 18) of different sizes, so that the cross section of the pump chamber (3) on the side of the pump chamber (3) facing the wafer (6) is smaller than on the side of the pump facing the drive device (4) ¬ chamber (3).
9. Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die dynami¬ schen Mikroventile (5) in <100>-Silizium mittels Photolithographie und anisotro¬ pen Tiefenätzens hergestellt sind, wobei der Materialabtrag jeweils nur von einer Richtung und durch den Wafer (6) hindurch erfolgt und jeweils zwei ge- genüberliegende der die dynamischen Mikroventile (5) begrenzenden <111>- Flächen miteinander einen Winkel von ca. 70° einschließen.9. Micropump according to claim 1, characterized in that the dynamic micro valves (5) are made in <100> silicon by means of photolithography and anisotropic deep etching, the material removal in each case only from one direction and through the wafer (6) through and two opposing <111> surfaces delimiting the dynamic microvalves (5) enclose an angle of approximately 70 ° with one another.
10. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dynami¬ schen Mikroventile (5) antiparallel auf dem Wafer (6) angeordnet und durch Doppelseitenphotolithographie mit anschließendem gleichzeitigen anisotropen Ätzen aller dynamischen Mikroventile (5) hergestellt sind.10. Micropump according to claim 1, characterized in that the dynamic micro valves (5) are arranged antiparallel on the wafer (6) and are produced by double-sided photolithography with subsequent simultaneous anisotropic etching of all dynamic micro valves (5).
11. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen der dynamischen Mikroventile (5) an ihren engsten Stellen laterale Abmessungen zwischen einem Mikrometer und fünfhundert Mikrometer aufweisen und die Ausdehnung der dynamischen Mikroventile (5) entlang der Symmetrieachsen (14) zwischen zehn Mikrometer und einem Milli¬ meter betragen. 11. Micropump according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cross-sectional areas of the dynamic microvalves (5) have lateral dimensions at their narrowest points between one micrometer and five hundred micrometers and the extension of the dynamic microvalves (5) along the axes of symmetry (14 ) be between ten micrometers and one millimeter.
12. Mikropumpe nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Pumpkammer (3) festlegende Element (10, 11, 11a, 11b, 11c) durch Pho¬ tolithographie und Atzprozesse in einem Halbleitermaterial oder in Glas erzeugt ist. 12. Micropump according to claim 1 or 4, characterized in that the element (10, 11, 11a, 11b, 11c) which defines the pump chamber (3) is produced by photolithography and etching processes in a semiconductor material or in glass.
13. Mikropumpe nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7) elektrostatisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch oder pneuma¬ tisch dergestalt angetrieben wird, daß sie eine schwingende Biegebewegung (16) ausführt. 13. Micropump according to claim 1 and 5, characterized in that the membrane (7) is driven electrostatically, electromagnetically, piezoelectrically or pneumatically in such a way that it carries out an oscillating bending movement (16).
14. Mikropumpe nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7) und das die Pumpkammer (3) festlegende Element (10) aus ei¬ nem Stück hergestellt sind.14. Micropump according to claim 1 and 5, characterized in that the membrane (7) and the pump chamber (3) defining element (10) are made from one piece.
15. Mikropumpe nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7) aus einem dünnen Material oder einer Folie (15) besteht, welche durch ein Fügeverfahren auf das die Pumpkammer (3) festlegende Element (11 , 11a, 11b) aufgebracht ist.15. Micropump according to claim 1 and 5, characterized in that the membrane (7) consists of a thin material or a film (15), which by a joining process to the pump chamber (3) defining element (11, 11a, 11b) is applied.
16. Mikropumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das die Pumpkammer (3) festlegende Element (11 , 11a, 11b) aus Silizium und die Folie16. Micropump according to claim 15, characterized in that the pump chamber (3) defining element (11, 11a, 11b) made of silicon and the film
(15) aus Glas besteht und beide durch anodisches Bonden miteinander verbun¬ den sind. (15) consists of glass and both are connected to one another by anodic bonding.
17. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Membran (7) durch ein Piezoelement (9) angetrieben wird, wel¬ ches auf der Membran (7) angeordnet ist und mit dieser eine Bimorph-Struktur bildet.17. Micropump according to one of claims 13 to 15, characterized gekennzeich¬ net that the membrane (7) is driven by a piezo element (9) which is arranged on the membrane (7) and forms a bimorph structure with the latter .
18. Mikropumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdeh¬ nung der Membran (7) in ihrer Fläche zwischen fünfhundert Mikrometer und zwanzig Millimeter beträgt und die Dicke der Membran (7) zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter beträgt.18. Micropump according to claim 5, characterized in that the expansion of the membrane (7) in its area is between five hundred micrometers and twenty millimeters and the thickness of the membrane (7) is between one micrometer and one millimeter.
19. Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Pump¬ kammer (3) senkrecht zu dem Wafer (6) eine minimale Höhe zwischen zehn Mikrometer und fünf Millimeter hat. 19. Micropump according to claim 1, characterized in that the pump chamber (3) perpendicular to the wafer (6) has a minimum height between ten micrometers and five millimeters.
20. Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die An¬ triebsvorrichtung (4) mit einer Frequenz zwischen einhundert Hertz und zwan¬ zig Kilohertz ansteuerbar ist. 20. Micropump according to claim 1, characterized in that the drive device (4) can be driven at a frequency between one hundred Hertz and twenty kilohertz.
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