WO2019219600A1 - Verfahren und haltevorrichtung zum herstellen einer mikropumpe mit mechanisch vorgespanntem membranaktor - Google Patents

Verfahren und haltevorrichtung zum herstellen einer mikropumpe mit mechanisch vorgespanntem membranaktor Download PDF

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membrane
actuator
recess
pumping
holding device
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Siegfried RÖHL
Yücel CONGAR
Martin Wackerle
Martin Richter
Christoph Kutter
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B29C65/48—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor using adhesives, i.e. using supplementary joining material; solvent bonding
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49236—Fluid pump or compressor making

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a micropump with a membrane actuator, in particular with a membrane actuator configured as a bending transducer, a holding device for holding a membrane actuator during the production of a micropump and a micropump with a membrane actuator, in particular with a membrane actuator designed as a bending transducer.
  • Micropumps are very small pumps with dimensions in the micrometer range. Their production deviates significantly from macroscopic pumps.
  • micropumps can be manufactured in MEMS technology.
  • Such micropumps generally have deflectable membranes which can be deflected by means of membrane actuators. Due to the deflection of the membrane, a stroke of the micropump is generated. Since the membrane actuator in this case bends the membrane, such membrane actuators can also be referred to as bending transducers.
  • bending transducers that function according to the piezoelectric principle are known.
  • Micropumps with flexural transducers e.g., piezo crystals
  • the micropumps can only perform to their full potential when the dead volume is minimized.
  • a mechanical pretensioning of the bending transducer (for example piezocrystal) must take place so that it can reach its optimum stroke.
  • EP 2 542 810 B1 proposes a mechanical pretensioning of the bending transducer (piezocrystal) by applying an electrical voltage.
  • this has the following disadvantages:
  • the maximum electrical bias is limited by the breakdown voltage of the piezoelectric crystal to about 2 MV / cm. • Voltage supply and contacting are costly and prone to errors in the large arrays required for cost-effective production.
  • the method according to the invention for producing a micropump includes inter alia a step of providing a substrate, wherein the substrate has at least one pumping membrane for the micropump.
  • the substrate may be a single or isolated micropump chip with a pumping membrane.
  • the substrate may be a wafer having one or more micropump structures, each with a pumping membrane, which are separated after processing.
  • the method further includes a step of providing a membrane actuator configured to move or deflect the pumping membrane.
  • the membrane actuator is here inserted into a holding device.
  • the method includes a step of aligning the fixture relative to the substrate such that the membrane actuator is disposed opposite the pumping membrane.
  • the alignment of the holding device can be done before or after inserting the diaphragm actuator in the holding device.
  • the pumping membrane is deflected in the direction of the diaphragm actuator, by means of a relative to the ambient pressure higher fluid pressure. That is, a pressurized fluid has an overpressure relative to the ambient atmospheric pressure.
  • the fluid which can be used here can preferably be a gas, in particular compressed air, but also a liquid.
  • the Ver- driving further includes a step of attaching the diaphragm actuator to the pumping membrane.
  • the membrane actuator can be fastened to the pump membrane deflected by means of the fluid pressure, or the membrane actuator can be fastened on the still undeflected pump membrane, wherein subsequently the pump membrane can be deflected together with the membrane actuator attached thereto by means of the fluid pressure.
  • the membrane actuator may be disposed in the fixture such that it forms a dome-shaped deformation that bulges in the same direction as the deflected pumping membrane, thereby mechanically biasing the deformed membrane actuator. That is, both the pumping membrane and the membrane actuator each have a dome-shaped deformation, both of which bulge in the same direction. Preferably, the two dome-shaped deformations have approximately the same dimensions.
  • the dome-shaped mechanically biased diaphragm actuator can be arranged on the dome-shaped deflected membrane.
  • the step of placing the diaphragm actuator in the retainer may include inserting the diaphragm actuator into the retainer and applying a mechanical force to the diaphragm actuator such that the diaphragm actuator inserted into the retainer deforms in a direction away from the pump diaphragm is thereby mechanically biased. That is, the membrane actuator can be pressed, for example by means of a compressive force in the holding device, or else pulled by a tensile force in the holding device into it. By exerting the appropriate force, the diaphragm actuator deforms and is thereby mechanically biased.
  • the step of placing the membrane actuator in the fixture may include creating a negative pressure between the fixture and the membrane actuator whereby the membrane actuator in the fixture is sucked by the vacuum and deformed in a direction away from the pump membrane is mechanically biased.
  • a depression can be generated, for example, by means of a vacuum pump or the like.
  • the holding device may for example have openings or holes through which the air between the holding device and the membrane actuator arranged therein can be evacuated. As a result, the membrane actuator is sucked in and, as it were, sucked into the holding device.
  • the step of placing the membrane actuator in the fixture may include applying an electrical voltage to the membrane actuator such that it is deformed and mechanically biased in a direction away from the pumping membrane. This is especially true for membrane actuators that are electrically deformable, such as piezo actuators.
  • the application of the voltage to the membrane actuator in combination with the aforementioned suppression for sucking the diaphragm actuator into the holding device can take place.
  • the pumping membrane can be deflected so far in the direction of the diaphragm actuator by means of the fluid pressure that the pumping diaphragm conforms to the diaphragm actuator inserted and deformed in the holding device and mechanically prestressed. That is, the deflected membrane preferably has approximately the same deformation with approximately the same dimensions as the mechanically biased membrane actuator. Both may for example have a dome-shaped curvature. This can be done by the pumping membrane is extended so far, until it bulges in the opposite holding device into and conforms to this. The pumping membrane assumes the shape of the holding device. Between the holding device and the pumping membrane, the membrane actuator is arranged, so that the deflected pumping membrane conforms directly to the membrane actuator and thereby adapts not only to the shape of the holding device but at the same time to the shape of the membrane actuator.
  • the pumping membrane can be deflected in the direction of the membrane actuator by means of the fluid pressure such that the pumping membrane touches the membrane actuator inserted in the holding device and the pumping membrane and the membrane actuator are deflected together, wherein the membrane actuator is deformed and mechanically prestressed. That is, the diaphragm actuator may already be arranged in the holding device, but not yet deformed.
  • the pumping membrane while being deflected, can contact the diaphragm actuator and deflect it with it.
  • the pumping membrane puffs up like a balloon, taking with it the membrane actuator.
  • the pumping membrane and the membrane actuator are pressed into the holding device by the common deflection and can thereby assume the shape of the holding device.
  • the step of providing the substrate may include arranging the substrate on a substrate holder, providing a fluid-tight connection between the substrate and the substrate holder, and providing a fluidic connection between the substrate and the substrate holder. see connection between the substrate holder and the pumping membrane, and generating the fluid pressure within the fluidic connection, so that the pressurized fluid flows through the fluidic connection to the pumping membrane and the pumping membrane is deflected by means of the fluid pressure in the direction of the diaphragm actuator.
  • the fluid-tight connection between the substrate holder and the substrate for example, by means of circumferential seals, for example rubber ring seals occur.
  • circumferential seals for example rubber ring seals
  • the substrate may have fluid channels that extend from a side facing the substrate holder to the pumping membrane.
  • a fluidic connection between the substrate holder and the pumping membrane can be made. The compressed air between the substrate holder and the substrate can thereby flow to the pumping membrane and deflect it.
  • the fluid pressure may have an overpressure relative to the ambient pressure of 0.5 bar to 5 bar, or from 0.5 bar to 3 bar, or from 1 bar to 2 bar.
  • An overpressure up to 5 bar may be advantageous, for example, to deflect relatively rigid metallic pumping membranes.
  • More flexible pumping membranes, such as, for example, pumping membranes made of silicon, can already be sufficiently deflected with an overpressure of approximately 1 bar to 2 bar.
  • the step of attaching the membrane actuator to the pumping membrane may include arranging a joining agent on the side of the pumping membrane facing the membrane actuator and / or on the side of the membrane actuator facing the pumping membrane.
  • the joining means may be, for example, adhesive, in particular a thermally activatable adhesive, or even a solder. The latter can be used in particular with pump membranes made of silicon in order to bond the membrane actuator to the silicon membrane.
  • the joining means may be a thermosetting joining agent
  • the step of attaching the membrane actuator to the pumping membrane may include heating the membrane actuator and / or the pumping membrane below the Curie temperature of the membrane actuator to thermally activate the joining agent. In particular, about 20% or even up to 10% below the Curie temperature can be heated.
  • the heating can take place, for example, by means of a heating device in the holding device. For this purpose, it would be conceivable to arrange heating wires or the like on the holding device. By heating the heating device, the membrane actuator arranged therein and also the pump membrane applied to the membrane actuator can be used be heated together. This will do this between the membrane actuator and the
  • Pump membrane arranged joining means activated and there is a connection between the membrane actuator and the pumping membrane.
  • the step of providing the substrate may include providing a substrate configured as a wafer, wherein the wafer has a multiplicity of pumping membranes for a corresponding multiplicity of micropumps which can be produced parallel in time in the wafer composite by the method. That is, the substrate may be a wafer or a wafer substrate. In the wafer, a plurality, ie at least two, preferably 30 and more, and in particular 32 or 36 individual micropump bodies or micropump structures with one each
  • a micropump can be produced by the method according to the invention, i. at every
  • Pump membrane can be arranged in each case a membrane actuator in the manner described herein.
  • the advantage is that the method steps described herein can be carried out parallel in time in the wafer assembly or wafer level, so that not only a single micropump but a plurality of micropumps can be produced simultaneously. The resulting micropumps can then be separated from the wafer so that individual micropump chips are available.
  • a holding device for holding a diaphragm actuator during the production of a micropump.
  • the holding device has inter alia a first recess with a first diameter, wherein the first recess has an edge region on which the diaphragm actuator can be arranged, and wherein the diaphragm actuator is at least partially deflectable into the first recess. That is, the membrane actuator can be arranged at the edge or at the edges of the first recess, so that the diaphragm actuator is supported only on this edge region. In the area of the first recess itself, the membrane actuator rests freely, ie there the membrane actuator is not supported.
  • the holding device also has a second recess with a second diameter, wherein the second recess has an edge region, on which a pumping membrane of the micropump can be arranged, and wherein the pumping membrane is at least partially deflectable into the second recess. That is, the pumping membrane can at the edge or on the Ranges of the second recess are arranged so that it is supported only on this edge region. In the region of the second recess itself, the pumping membrane is exposed, ie there the pumping membrane is not supported.
  • the pump membrane when it is deflected, the pump membrane may extend into the second recess.
  • the pumping membrane form a deformation in the form of a dome-shaped curvature.
  • the first diameter of the first recess is smaller than the second diameter of the second recess, and the first recess is disposed within the second recess.
  • the device according to the invention has the advantage that both the pumping membrane and the membrane actuator can be processed simultaneously in the holding device.
  • the pumping membrane and the diaphragm actuator are supported only at the edges of the first or second recess, the pumping membrane or the diaphragm actuator can be easily deflected, for example by overpressure, which acts on the pumping membrane or the diaphragm actuator, so that this overpressure Pump diaphragm or the diaphragm actuator pushes into the respective recess.
  • the recess can be made bottomless, ie, approximately comparable to a tube, whereby the pump membrane or the membrane actuator can be deflected into the tube.
  • the second recess is arranged in the radial direction within the first recess. This would be comparable to two nested pipes.
  • the edge region of the first recess may be spaced apart from the edge region of the second recess in a depth direction in which the pump membrane and / or the membrane actuator are deflectable into the respective recess. That is, while the second recess is radially disposed within the first recess, the peripheral portion of the second recess may be axially spaced from the first recess.
  • the edge region of the second recess may be offset inwards, i. the edge region of the second recess may be spaced from the edge region of the first recess, in a direction that corresponds to the direction of deformation or deflection of the pump membrane or of the membrane actuator.
  • the edge region of the first cutout can be arranged to be movable relative to the edge region of the second cutout so that a spacing, in the depth direction, between the edge region of the first cutout and the edge region of the second cutout can be varied. That is, the aforementioned axial offset between the edge region of the first recess and the edge region of the second recess may be adjustable relative to each other by the mobility of the two edge regions.
  • the spacing, in the depth direction, between the edge region of the first recess and the edge region of the second recess may be selected such that a pumping membrane arranged at the edge region of the second recess has a deflected state at the edge region of the first recess touched arranged membrane actuator. That is, preferably, the axial offset is selected so that the pumping membrane in an undeflected state does not contact the membrane actuator, and that the pumping membrane in its deflected state contacts the membrane actuator.
  • the edge region of the first recess and / or the edge region of the second recess may be annular.
  • a ring-shaped edge region is characterized by the fact that it forms a closed ring.
  • the geometric shape of the annular edge region may be round or angular.
  • the edge region of the first recess and / or the edge region of the second recess may be circular and annular.
  • the fixture may include a plurality of first recesses and a plurality of second recesses, wherein the fixture may be configured to hold a plurality of membrane actuators during the fabrication of a corresponding plurality of wafer level micropumps.
  • the holding device of the present invention is configured to process wafers having a plurality of micropump structures.
  • a multiplicity of micropumps can be produced at the wafer level.
  • the holding device can hold a multiplicity of membrane actuators, so that each membrane actuator can be arranged on a respective pumping membrane of a corresponding multiplicity of micropump structures.
  • Another aspect of the present invention relates to a micropump, which can be produced by the aforementioned method or by using the aforementioned holding device.
  • FIG. 2A is a side sectional view of a micropump which can be produced using a method according to the invention
  • FIG. 2B is another sectional side view of a micropump, which can be produced using a method according to the invention
  • Fig. 3A is a side sectional view of a arranged on a substrate holder
  • 3B is a further sectional side view of a substrate arranged on a substrate holder and a holding device according to the invention for holding a diaphragm actuator according to an embodiment
  • FIG. 4 shows a further lateral sectional view of a substrate arranged on a substrate holder and a holding device according to the invention for holding a membrane actuator according to an exemplary embodiment
  • 5A is a plan view of the underside of a holding device according to the invention for holding a diaphragm actuator according to an embodiment
  • Fig. 5B is a side sectional view of a holding device according to the invention for
  • a piezoactuator is described herein as a non-limiting example of a deflectable membrane actuator. Since the deformation or the mechanical prestressing of the diaphragm actuator according to the invention does not occur primarily by the application of an electrical voltage, as described in the prior art, other types of diaphragm actuators can also be used.
  • FIG. 1 shows a flow chart of a method according to the invention for producing a micropump.
  • a micropump has dimensions in the micrometer range and can be manufactured, for example, in MEMS construction.
  • a substrate having at least one pumping membrane for the micropump.
  • the substrate may be, for example, a wafer.
  • the wafer may, for example, comprise silicon or be made of silicon.
  • a membrane actuator is provided for moving the pumping membrane, and this membrane actuator is placed in, for example, a holding device.
  • the fixture is oriented relative to the substrate such that the membrane actuator is disposed opposite the pumping membrane.
  • the pumping membrane is deflected in the direction of the diaphragm actuator, by means of a relative to the ambient pressure higher fluid pressure.
  • the fluid pressure acts directly on the pump membrane and deflects it out towards the membrane actuator, so that the pump membrane, due to the fluid pressure, moves in the direction of the membrane actuator.
  • the fluid generating fluid may preferably be a gas, or alternatively a liquid.
  • the membrane actuator is attached to the pumping membrane.
  • This step can be done after the pumping membrane has been deflected so that the membrane actuator is attached to the deflected pumping membrane.
  • this step can also take place before the pump diaphragm is deflected so that the pump diaphragm is subsequently deflected together with the diaphragm actuator attached to it.
  • the aim here is to mechanically bias the diaphragm actuator and / or the pumping membrane.
  • FIGS. 2A and 2B show an objective illustration of a micropump 21 produced by the method according to the invention.
  • the micropump 21 has a substrate 22.
  • the substrate 22 may be, for example, a silicon substrate.
  • a pump chamber 23 is formed in the substrate 22 .
  • the substrate 21 also has an inlet 24 and an outlet 25, both of which open into the pumping chamber 23. Through the inlet 24, a fluid can flow into the pumping chamber 23. Through the outlet 25, the fluid can leave the pump chamber 23 again.
  • a pumping membrane 27 is disposed on a top surface 26 of the substrate 22 .
  • the pumping diaphragm 27 is arranged opposite the pumping chamber 23.
  • the pumping membrane 27 is movable or flexible.
  • a diaphragm actuator 28 is disposed on the pumping membrane 27.
  • the membrane actuator 28 is madestaitet to actuate the pumping diaphragm 27, ie to deflect.
  • the membrane actuator 28 directs the pumping membrane 27 upward, i.e. in a direction away from the substrate 22 (FIG. 2B), the micropump 21 performs a suction stroke and sucks fluid through the inlet 24. In the suction stroke, the pumping membrane 27 and the membrane actuator 28 have a dome-shaped deformation.
  • the membrane actuator 28 directs the pumping membrane 27 down, i.e. in a direction toward the substrate 22, out (FIG. 2A), the micropump 21 performs a pressure stroke and ejects the sucked-in fluid through the outlet 25. in an unactuated state, the micropump 21 is in the position shown in FIG. 2B. In this case, the membrane actuator 28 is mechanically biased so that the membrane actuator 28 deflects the membrane 27 in a direction away from the substrate 22.
  • the pump mechanism described above can be reversed. That is, a fluid in the pumping chamber 23 can deflect the pumping diaphragm 27. When the fluid has a higher pressure than the ambient atmospheric pressure, the pumping diaphragm 27 is deflected in a direction away from the substrate 22, so that the pumping diaphragm 27 and the diaphragm actuator 28 have the aforementioned dome-shaped deformation.
  • FIGS. 3A and 3B show an objective illustration of a tool which can be used for the mass production of micropumps using the method according to the invention. This is only a non-limiting example of an embodiment of the method according to the invention or the holding device according to the invention.
  • FIG. 3A shows a substrate holder 31.
  • the substrate holder 31 may be, for example, a wafer holder, for example a so-called chuck.
  • the substrate 22 may be a wafer substrate, wherein a plurality of micropump structures of the aforementioned type may be formed in the wafer substrate, which may then be formed as a micro substrate. Pump chips can be separated.
  • the micropump 21 is shown by way of example.
  • the substrate 22 is disposed on the substrate holder 31. Between the substrate 22 and the substrate holder 31, a seal 32 is arranged, which provides a fluid-tight connection between the substrate 22 and the substrate holder 31.
  • the seal 32 may be, for example, a rubber seal.
  • the seal 32 may be formed, for example, completely encircling.
  • the substrate holder 31 may have a recess 34.
  • support structures 33 may be provided to mechanically support and stabilize the substrate 22.
  • the recess 34 may be provided at least in a region of the inlets and outlets 24, 25 of the respective micropump 21.
  • the substrate holder 31 may have a fluid connection 35, which opens into the recess 34.
  • a fluid symbolized by the arrow 36, can flow into the recess 34.
  • the fluid 36 can accordingly flow through the recess 34 and through the inlet 24 of the micropump 21 into the pumping chamber 23 of the micropump 21 so that the fluid 36 can deflect the pumping diaphragm 27. Accordingly, a fluidic connection is provided between the substrate holder 31 and the pumping membrane 27.
  • an overpressure can be generated within this fluidic connection, so that the pressurized fluid 36 flows through the fluidic connection to the pumping diaphragm 27 and the pumping diaphragm 27 is deflected by the fluid pressure in the direction of the diaphragm actuator 28.
  • the fluid pressure may in this case have an overpressure relative to the ambient pressure of 0.5 bar to 5 bar, or from 0.5 bar to 3 bar, or from 1 bar to 2 bar.
  • FIG. 3A shows a holding device 38 according to the invention.
  • the holding device 38 is configured to at least temporarily hold a membrane actuator 28 when manufacturing a micropump 21.
  • the membrane actuator 28 may be disposed in the fixture 38 such that it forms a dome-shaped deformation, which bulges in the same direction as the pumping membrane 27 when, as described above, it is deflected by, for example, a fluid pressure. Due to the dome-shaped deformation, which can also be referred to as a curvature, the thus deformed diaphragm actuator 28 is mechanically biased.
  • the membrane actuator 28 may be so flexible that it bulges when inserted into the holding device 38 by itself, for example when the diaphragm actuator 28 is made very thin.
  • the membrane actuator 28 can also be inserted into the holding device 38 while exerting a mechanical force. For example, the membrane actuator 28 can be pressed into the holding device 38.
  • a reduced negative pressure between the holding device 38 and the membrane actuator 28 relative to the ambient atmospheric pressure can be generated, whereby the membrane actuator 28 is sucked into the holding device 38 by means of the negative pressure and moves in a direction away from the Pumping membrane 27 away, deformed and thereby mechanically biased.
  • This suppression is symbolized by the arrows 40.
  • the holding device 38 according to the invention can have a fluid connection 39 which opens into a contact region in which the membrane actuator 28 comes into contact with the holding device 38.
  • a vacuum pump can be connected to the fluid port 39.
  • an electrical voltage can also be applied to the diaphragm actuator 28 so that it is deformed in a direction away from the pumping membrane 27 and thereby mechanically biased.
  • the holding device 38 is oriented relative to the substrate 22 in such a way that the membrane actuator 28 inserted therein is opposite a pumping membrane 27 arranged on the substrate 22. Subsequently, the holding device 38 can be lowered, i. in the direction of the substrate 22, to bring the diaphragm actuator 28 and the pumping diaphragm 27 in spatial proximity to one another. This is shown in FIG. 3B.
  • the mechanically prestressed diaphragm actuator 28 now lies opposite the pump diaphragm 27 and is now connected to the pump diaphragm 27.
  • a joining means 27 may be provided between the membrane actuator 28 and the pumping membrane 27. This may be, for example, an adhesive.
  • the pumping membrane 27 can be deflected by means of the fluid pressure 36 so far in the direction of the diaphragm actuator 28, that the pumping diaphragm 27 conforms to the inserted and deformed in the holding device 38 and mechanically biased diaphragm actuator 28.
  • FIG. This is sketched schematically in FIG.
  • the substrate holder 31, the substrate 22 disposed thereon, and the seal 32 disposed therebetween can be seen.
  • the overpressure 36 passes through the inlet of the respective micropump structure to the respective pumping diaphragm 27 and deflects it in a direction away from the substrate 22.
  • both the pump membrane 27 and the membrane actuator 28 have a dome-shaped deformation, or curvature on.
  • the holding device 38 can then be moved thereon in the direction of the substrate 22, so that the deflected pump diaphragm 27 conforms to the membrane actuator 28 that has been inserted and deformed in the holding device 38 and mechanically prestressed.
  • the sequence may deviate from the example illustrated in FIG.
  • the holding device 38 can first be moved in the direction of the substrate 22, so that the membrane actuator 28 inserted therein is opposite a pump diaphragm 27 that has not yet been deflected.
  • the pumping membrane 27 can then be deflected by means of the overpressure 36, so that the deflected pumping membrane 27 conforms to the membrane actuator 28 which is inserted and deformed in the holding device 38 and mechanically prestressed.
  • the advantage is that the deflected pumping membrane 27 can be supported in the holding device 38 when it is connected to the membrane actuator 28.
  • the membrane actuator 28 although already inserted into the holding device 38, but not yet deformed and mechanically biased. Instead, only the pumping membrane 27 can be actively deflected, taking with it the membrane actuator 28, ie, the membrane actuator 28 is passively deflected by the pumping membrane 27. Accordingly, therefore, the pumping membrane 27 can be deflected by means of the fluid pressure 36 in the direction of the diaphragm actuator 28 such that the pumping membrane 27 touches the membrane actuator 28 inserted in the holding device 38 but is not mechanically preloaded and the pumping diaphragm 27 and the diaphragm actuator 28 are deflected together , whereby the diaphragm actuator 28 is deformed and mechanically biased.
  • an optional joining means 37 may be provided between the pumping diaphragm 27 and the diaphragm actuator 28.
  • the optional joining means 37 for joining the deformed and mechanically prestressed membrane actuator 28 to the pumping membrane 27 can be, for example, a thermally curable adhesive.
  • the holding device 38 in one embodiment may comprise a means for heating the diaphragm actuator 28.
  • the holding device 38 have heating wires by means of which the membrane actuator 28 can be heated.
  • the heat introduced into the membrane actuator 28 is delivered by the membrane actuator 28 to the joining means 37, which then hardens. However, heat is also delivered to the pumping membrane 27.
  • the means for heating the membrane actuator 28 should be designed such that upon thermal activation of the joining agent 37, the membrane actuator 28 and / or the pumping membrane 27 are heated only to below their respective Curie temperature. This avoids damage to the pumping membrane 27 and in particular to the diaphragm actuator 28, which can thereby lose its mechanical bias.
  • the joining means 37 can on the diaphragm actuator 28 side facing the
  • the deflection of the pumping membrane 27 can happen at individual micropumps, or else in the wafer composite, ie at a substrate 22 which has a plurality of micropumps not yet singulated, as is shown by way of example in FIGS. 3A and 3B.
  • Several membrane actuator assemblies can be made in parallel. The same applies to cartridges in which micropumps are mounted in parallel.
  • the holding device 38 may have a depression into which the membrane actuator 28 fits.
  • This recess can be designed as a curved bottom and have a spherical cap shape.
  • the membrane actuator 28 conforms to this arched spherical cap-shaped bottom and thus assumes the shape of the domed spherical cap-shaped bottom.
  • This arched spherical cap-shaped bottom may also be referred to as a contact section of the holding device 38, since the membrane actuator 28 comes into contact with the holding device 38 at this contact section.
  • FIGS. 5A and 5B show an alternative exemplary embodiment of a holding device 38 according to the invention.
  • FIG. 5A shows a top view of the holding device 38 from below, wherein no membrane actuator is inserted.
  • FIG. 5B shows a side sectional view of a section of the holding device 38 according to the invention, wherein a membrane actuator 28 is inserted into the holding device 38 during a method step in which the inserted membrane actuator 28 is connected to a pumping membrane 27.
  • This embodiment of a holding device 38 according to the invention can be designed bottomless, i. the holding device 38 has no curved spherical cap-shaped bottom. Instead, the holding device 38 may have a first recess 51a with a first diameter Di, wherein the first recess 51a has an edge region 51b, on which the diaphragm actuator 28 can be arranged.
  • the first recess 51a is thus roughly comparable to a pipe section.
  • the diaphragm actuator 28, when disposed on the edge portion 51b, is at least partially deflectable into the first recess 51a.
  • the membrane actuator 28 is at least partially deflected into the first recess 51 a. This can be done, for example, by suction of the membrane actuator 28 by means of suppressor 40.
  • the membrane actuator 28 is supported on the edge region 51b of the first recess 51a, so that the deflected membrane actuator 28 has a dome-shaped deformation or curvature. The membrane actuator 28 is thereby mechanically biased.
  • the holding device 38 also has a second recess 52a with a second diameter D 2 , wherein the second recess 52a has an edge region 52b, on which a pumping membrane 27 of the micropump 21 can be arranged.
  • the second recess 52a is thus also roughly comparable to a pipe section.
  • the pumping diaphragm 27 is at least partially deflectable into the second recess 52a. This again can be seen in particular in FIG. 5B.
  • the pumping membrane 27 is at least partially deflected into the second recess 52a. This can be done for example by deflecting the pumping diaphragm 27 by means of overpressure 36.
  • the pump diaphragm 27 is supported on the edge region 52b of the second recess 52a, so that the deflected pump diaphragm 27 has a dome-shaped deformation, or a curvature.
  • the bulges of the pumping membrane 27 and the diaphragm actuator 28 may be about the same.
  • the deflected pumping membrane 27 can be easily connected to the prestressed diaphragm actuator 28.
  • both the holding device 38 according to the invention with the curved spherical cap-shaped bottom described at the outset, as well as the bottomless embodiment described with reference to FIGS. 5A and 5B, which is approximately comparable to a tube section, can be used.
  • the bottomless version has the following advantages over the holding device with arched spherical cap-shaped bottom.
  • the holder 38 is to have a conical shape, it is difficult to manufacture in the desired micrometer range.
  • the cone should always correspond to the bending shape of the bias of the diaphragm actuator 28. These are cavities of only 5 pm to 50 pm depth, but these should be produced continuously and without defects.
  • the embodiment of the holding device 38 described with reference to FIGS. 5A and 5B provides a remedy for this.
  • the production costs for such a tool decrease considerably.
  • the holding device 38 can thus be designed, for example, so that the
  • each edge region for example, also consist of n "tappets".
  • the two edge portions 51 b, 52 b are spaced apart in the radial direction from each other. In the radial direction, the first and the second edge region 51 b, 52 b are spaced apart in the range of a few micrometers.
  • the two edge regions 51b, 52b are also spaced apart in an axial direction, which is characterized by the dimension Zi.
  • This axial direction is also referred to as the depth direction.
  • the first and second edge regions 51b, 52b are spaced apart in the range of a few micrometers.
  • the radially inner or first edge region 51b is axially offset inwards relative to the radially outer or second edge region 52b, i. in a direction in which the pumping membrane 27 is deflected or the diaphragm actuator 28 is biased.
  • the edge region 51b of the first recess 51a in a depth direction Zi in which the pumping diaphragm 27 and / or the diaphragm actuator 28 are deflectable into the respective recess 51a, 52a, can be spaced from the edge region 52b of the second recess 52a.
  • the holding device 38 may be configured such that the edge regions 51b, 52b (e.g., rings) in the micrometer range in the z-axis, i. in the depth direction, axially or vertically against each other.
  • micropumps with different membrane and piezo thicknesses can be mounted with a holding device 38.
  • the edge region 51b of the first recess 51a can be arranged to be movable relative to the edge region 52b of the second recess 52a so that a spacing Zi, in the depth direction, between the edge portion 51b of the first recess 51a and the edge portion 52b of the second recess 52a is variable.
  • the radially inner or the edge region 51 b of the first recess 51 b in the axial direction Zi be designed to be movable.
  • the radially outer or the edge region 52b of the second recess 52a may be designed to be movable in the axial direction Zi.
  • the axial spacing Zi between the bottom of the edge portion 51 b of the first recess 51a and the bottom of the edge region 52b of the second recess 52a be selected such that the deflected pumping diaphragm 27 comes into contact with the prestressed diaphragm actuator 28.
  • the spacing Zi in the depth direction between the edge region 51b of the first recess 51a and the edge region 52b of the second recess 52a may be selected such that a pumping membrane 27 arranged at the edge region 52b of the second recess 52a will deflect in a deflected state at the edge 51 b of the first recess 51 a arranged diaphragm actuator 28 touches.
  • the edge region 51b of the first recess 51a and / or the edge region 52b of the second recess 52a may be annular. Ring-shaped means that the shape is self-contained.
  • the self-contained annular edge region 51 b, 52 b may have any geometric shape.
  • the self-contained annular edge region 51 b, 52 b has a circular shape, so that the edge region 51 b, 52 b forms a circular ring.
  • the diaphragm actuator 28 also being referred to as a bending transducer or piezo:
  • a pre-bending of the diaphragm actuator 28 takes place by mechanical means.
  • the pumping membrane 27 may be inflated by gas pressure at the wafer level (or a field of pumping chips) so that it conforms to the flexural transducer 28, which may flex freely, or limitedly by a mechanical shape or by sensors.
  • the membrane 27 and / or the bending transducer 28 may be previously provided with a bonding agent 37, adhesive or Niedertemperaturlot (eg by screen printing), so that after inflation of the membrane 27 a Bonding or joining with the bending transducer 28, for example by application of temperature, can take place.
  • the bias voltage (in the mechanical sense) when applying electrical voltages is limited by the maximum electrical breakdown field strength of the piezoelectric material.
  • the inventive mechanical pre-bending of the diaphragm actuator 28, however, can exceed this limit and increase the potential of the bending transducer 28 (in the direction of higher deflection and thus higher pumping volume).
  • a disk 22 e.g., wafer
  • the array (array) of prefabricated pump chips is placed on a wafer holder 31 with O-rings 32 on the wafer edge.
  • Supporting elements 33 such as intermediate webs, punches or seals ensure a horizontal support of the wafer 22 on the wafer holder 31.
  • An adhesive 37 or a low temperature solder is applied to the piezocrystal 28 and / or on the pumping membrane 27, e.g. in the screenprinting process or other dosing procedures.
  • the piezo holder (holding device) 38 with recesses (eg in spherical cap shape) is previously equipped with the appropriate number Piezos 28 with pick-and-place method.
  • Option 1 A vacuum 40 is applied to the piezo holder 38, so that the piezos 28 bend into the respective spherical cap-shaped recesses.
  • the wafer holder 31 is pressed onto the piezo holder 38 and the wafer 22 is subsequently pressurized from behind (ie from the side of the respective pump membranes 27 arranged opposite the piezo holder 38) with pressure 36, so that the shape of the pump membranes 27 adapts to the shape of the pre-bent piezos 28 or so that the pumping membranes 27 bend the piezos 28, for example in the shape of a spherical cap.
  • the method according to the invention and the holding device 38 according to the invention offer a clear advantage over methods in which the membrane actuator 28 is deflected by means of electrical voltage and is thereby mechanically biased.
  • the membrane actuator is mechanically, e.g. by means of suppressor 40, deflected.
  • micropump made by conventional methods of the prior art differs. That is, the shape of a biased diaphragm actuator differs from the shape of a mechanically biased diaphragm actuator.
  • contact tracks for applying the electrical bias to the diaphragm actuator are always recognizable in the case of diaphragm actuators preloaded by means of electrical voltage.
  • a micropump produced using the method according to the invention can be used, for example, in the following areas:
  • micropumps in consumer area for example Smart Phones
  • micropumps for vacuum applications e.g. degasifier
  • a pump for example a vacuum pump, can be connected to this fluid connection 39.
  • the pump may aspirate a fluid (e.g., air) present in the first recess 51a and thus create in the first recess 51a a lower fluid pressure relative to the ambient atmospheric pressure through which the diaphragm actuator 28 is at least partially deflectable into the first recess 51a.
  • a fluid e.g., air
  • a system having a holding device 38, a substrate holder 31 described herein, for receiving a substrate 22, the substrate holder 31 having a seal 32 for establishing a fluid-tight connection between the substrate holder 31 and a substrate 22 disposed thereon.
  • the substrate holder 31 has a fluid connection 35 which opens into a gap 34 formed between the substrate holder 31 and the substrate 22 arranged thereon and through which a fluid can be introduced into this intermediate space 34.
  • aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method such that a block or device of a device may also be considered a corresponding method step or feature is to understand. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe (21). Das Verfahren weist unter anderem einen Schritt des Bereitstellen eines Substrats (22) auf, wobei das Substrat (22) mindestens eine Pumpmembran (27) für die Mikropumpe (21) aufweist. Außerdem wird ein Membranaktor (28) zum Bewegen der Pumpmembran (27) bereitgesellt, wobei der Membranaktor (28) in einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung (38) angeordnet wird. Die Haltevorrichtung (38) wird relativ zu dem Substrat (22) derart ausgerichtet, dass der Membranaktor (28) der Pumpmembran (27) gegenüberliegend angeordnet ist, und die Pumpmembran (27) wird in Richtung des Membranaktors (28) mittels eines relativ zum Umgebungsdruck höheren Fluiddrucks (36) ausgelenkt. Außerdem wird der Membranaktor (28) an der Pumpmembran (27) befestigt.

Description

VERFAHREN UND HALTEVORRICHTUNG ZUM HERSTELLEN EINER MIKROPUMPE MIT MECHANISCH VORGESPANNTEM MEMBRANAKTOR
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe mit einem Memb- ranaktor, insbesondere mit einem als Biegewandler ausgestalteten Membranaktor, eine Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors während der Herstellung einer Mikropumpe sowie eine Mikropumpe mit einem Membranaktor, insbesondere mit einem als Biegewandler ausgestalteten Membranaktor.
Mikropumpen sind sehr kleine Pumpen, die Abmessungen im Mikrometerbereich aufwei- sen. Deren Fertigung weicht deutlich von makroskopischen Pumpen ab. Mikropumpen können beispielsweise in MEMS-Technologie gefertigt werden. Derartige Mikropumpen weisen in der Regel auslenkbare Membranen auf, die mittels Membranaktoren ausgelenkt werden können. Durch die Auslenkung der Membran wird ein Hub der Mikropumpe erzeugt. Da der Membranaktor hierbei die Membran verbiegt, können derartige Membranaktoren auch als Biegewandler bezeichnet werden. Bekannt sind beispielsweise Biegewandler, die nach dem piezoelektrischen Prinzip funktionieren.
Mikropumpen mit Biegewandlern (z.B. Piezokristalle) zum Auslenken der Pumpmembran können, unabhängig davon ob die Mikropumpen aus Metall, Silizium oder anderen Materialien gefertigt sind, nur dann ihre volle Leistung entfalten, wenn das Totvolumen minimiert wird.
Dazu muss bei derartigen Mikropumpen, die mit Biegewandlern betrieben werden, eine mechanische Vorspannung des Biegewandlers (z.B. Piezokristalls) erfolgen, damit dieser seinen optimalen Hub erreichen kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die EP 2 542 810 B1 eine mechanische Vorspannung des Biegewandlers (Piezokristalls) durch Anlegen einer elektrischen Spannung vor. Dies hat jedoch folgende Nachteile:
Die maximale elektrische Vorspannung ist durch die Durchbruchspannung des Piezokristalls auf ca. 2 MV/cm begrenzt. • Die Spannungszuführung und Kontaktierung sind bei großen Feldern (Arrays), die für eine kostengünstige Produktion erforderlich sind, aufwändig und fehleranfällig.
Es wäre demnach wünschenswert, bei der Herstellung einer Mikropumpe eine mechani- sche Vorspannung des Biegewandlers mit Hilfe eines Verfahrens zu erzielen, das nicht den genannten Restriktionen unterliegt.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestehende Werkzeuge und Verfah- ren zum Herstellen von Mikropumpen mit Membranaktoren dahingehend zu verbessern, dass die Membranaktoren bei der Herstellung auf einfache Art und Weise mechanisch vorgespannt werden können, und das Verfahren gleichzeitig kostengünstig und massenfertigungstauglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine in diesem Verfahren verwendbare Haltevorrichtung (Werkzeug) mit den Merkmalen von Anspruch 12 vorgeschlagen. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe beinhaltet unter anderem einen Schritt eines Bereitstellens eines Substrats, wobei das Substrat mindestens eine Pumpmembran für die Mikropumpe aufweist. Das Substrat kann ein einzelner beziehungsweise vereinzelter Mikropumpenchip mit einer Pumpmembran sein. Alternativ kann das Substrat ein Wafer sein, der ein oder mehrere Mikropumpenstrukturen mit je einer Pumpmembran aufweist, wobei diese nach erfolgter Prozessierung vereinzelt werden.
Das Verfahren weist ferner einen Schritt eines Bereitstellens eines Membranaktors auf, der ausgestaltet ist, um die Pumpmembran zu bewegen beziehungsweise auszulenken. Der Membranaktor wird hierbei in eine Haltevorrichtung eingelegt. Des weiteren beinhaltet das Verfahren einen Schritt eines Ausrichtens der Haltevorrichtung relativ zu dem Substrat derart, dass der Membranaktor der Pumpmembran gegenüberliegend angeordnet ist. Das Ausrichten der Haltevorrichtung kann vor oder nach dem Einlegen des Membranaktors in die Haltevorrichtung geschehen. Vor oder nach dem Ausrichten der Haltevorrichtung, in welcher der Membranaktor angeordnet ist, wird die Pumpmembran in Richtung des Membranaktors ausgelenkt, und zwar mittels eines relativ zum Umgebungsdruck höheren Fluiddrucks. Das heißt, ein mit Druck beaufschlagtes Fluid weist einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck auf. Das hierbei einsetzbare Fluid kann vorzugsweise ein Gas, insbesondere Druckluft, aber auch eine Flüssigkeit sein. Das Ver- fahren beinhaltet ferner einen Schritt eines Befestigens des Membranaktors an der Pumpmembran. Dabei kann der Membranaktor an der mittels des Fluiddrucks ausgelenkten Pumpmembran befestigt werden, oder der Membranaktor kann auf der noch unausge- lenkten Pumpmembran befestigt werden, wobei anschließend die Pumpmembran zusammen mit dem daran befestigten Membranaktor mittels des Fluiddrucks ausgelenkt werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Membranaktor derart in der Haltevorrichtung angeordnet werden, dass er eine kuppelförmige Verformung bildet, die sich in dieselbe Richtung wölbt wie die ausgelenkte Pumpmembran, wodurch der verformte Membranaktor mechanisch vorgespannt wird. Das heißt, sowohl die Pumpmembran als auch der Membranaktor weisen jeweils eine kuppelförmige Verformung auf, die sich beide in dieselbe Richtung wölben. Vorzugsweise weisen die beiden kuppelförmigen Verformungen etwa dieselben Maße auf. So kann der kuppelförmig mechanisch vorgespannte Membranaktor auf der kuppelförmig ausgelenkten Membran angeordnet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Anordnens des Membranaktors in die Haltevorrichtung ein Einlegen des Membranaktors in die Haltevorrichtung und ein Ausüben einer mechanischen Kraft auf den Membranaktor aufweisen, sodass sich der in die Haltevorrichtung eingelegte Membranaktor, in einer Richtung von der Pumpmembran weg, verformt und dadurch mechanisch vorgespannt wird. Das heißt, der Membranaktor kann beispielsweise mittels einer Druckkraft in die Haltevorrichtung hineingedrückt, oder aber auch mittels einer Zugkraft in die Haltevorrichtung hinein gezogen werden. Durch das Ausüben der entsprechenden Kraft verformt sich der Membranaktor und wird dadurch mechanisch vorgespannt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Anordnens des Membranaktors in die Haltevorrichtung ein Erzeugen eines Unterdrucks zwischen der Haltevorrichtung und dem Membranaktor aufweisen, wodurch der Membranaktor in der Haltevorrichtung mittels des Unterdrucks angesaugt wird und sich, in einer Richtung von der Pumpmembran weg, verformt und dabei mechanisch vorgespannt wird. Ein solcher Unterdrück kann beispielsweise mittels einer Vakuumpumpe oder ähnlichem erzeugt werden. Hierfür kann die Haltevorrichtung beispielsweise Öffnungen bzw. Löcher aufweisen, durch die die Luft zwischen der Haltevorrichtung und dem darin angeordneten Membranaktor evakuiert werden kann. Dadurch wird der Membranaktor angesaugt und sozusagen in die Haltevorrichtung gesaugt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Anordnens des Membranaktors in die Haltevorrichtung ein Anlegen einer elektrischen Spannung an den Membranaktor aufweisen, sodass sich dieser, in einer Richtung von der Pumpmembran weg, verformt und dabei mechanisch vorgespannt wird. Dies gilt insbesondere für Membranaktoren, die elektrisch verformbar sind, wie beispielsweise Piezoaktoren. Vorzugsweise kann das Anlegen der Spannung an den Membranaktor in Kombination mit dem vorgenannten Unterdrück zum Ansaugen des Membranaktors in die Haltevorrichtung erfolgen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Pumpmembran mittels des Fluiddrucks so weit in Richtung des Membranaktors ausgelenkt werden, dass sich die Pumpmembran an den in der Haltevorrichtung eingelegten und verformten sowie mechanisch vorgespannten Membranaktor anschmiegt. Das heißt, die ausgelenkte Membran weist vorzugsweise etwa dieselbe Verformung mit etwa denselben Abmessungen auf wie der mechanisch vorgespannte Membranaktor. Beide können beispielsweise eine kuppelförmige Wölbung aufweisen. Dies kann dadurch geschehen, dass die Pumpmembran so weit ausgeienkt wird, bis sie sich in die gegenüberliegende Haltevorrichtung hinein wölbt und sich an diese anschmiegt. Die Pumpmembran nimmt dabei die Form der Haltevorrichtung an. Zwischen der Haltevorrichtung und der Pumpmembran ist der Membranaktor angeordnet, sodass sich die ausgelenkte Pumpmembran direkt an den Membranaktor anschmiegt und dabei nicht nur an die Form der Haltevorrichtung sondern gleichzeitig auch an die Form des Membranaktors anpasst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Pumpmembran mittels des Fluiddrucks derart in Richtung des Membranaktors ausgelenkt werden, dass die Pumpmembran den in der Haltevorrichtung eingelegten Membranaktor berührt und die Pumpmembran und der Membranaktor gemeinsam ausgelenkt werden, wobei sich der Membranaktor verformt und mechanisch vorgespannt wird. Das heißt, der Membranaktor kann zwar bereits in der Haltevorrichtung angeordnet sein, aber dabei noch nicht verformt sein. Die Pumpmembran kann, während sie ausgelenkt wird, den Membranaktor berühren und diesen mit auslenken. Die Pumpmembran bläht sich sozusagen wie ein Luftballon auf und nimmt dabei den Membranaktor mit. Die Pumpmembran und der Membranaktor werden durch die gemeinsame Auslenkung in die Haltevorrichtung hinein gedrückt und können dabei die Form der Haltevorrichtung annehmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Bereitstellens des Substrats ein Anordnen des Substrats auf einem Substrathalter, ein Bereitstellen einer fluiddichten Verbindung zwischen dem Substrat und dem Substrathalter, und ein Bereitstellen einer fluidi- sehen Verbindung zwischen dem Substrathalter und der Pumpmembran, sowie ein Erzeugen des Fluiddrucks innerhalb der fluidischen Verbindung aufweisen, sodass das unter Druck stehende Fluid durch die fluidische Verbindung hindurch zu der Pumpmembran strömt und die Pumpmembran mittels des Fluiddrucks in Richtung des Membranaktors ausgelenkt wird. Die fluiddichte Verbindung zwischen dem Substrathalter und dem Substrat kann beispielsweise mittels umlaufenden Dichtungen, zum Beispiel Gummiringdichtungen, erfolgen. Somit kann Druckluft zwischen das Substrat und dem Substrathalter eingebracht werden. Außerdem kann das Substrat Fluidkanäle aufweisen, die sich von einer dem Substrathalter zugewandten Seite bis zur Pumpmembran erstrecken. Somit kann eine fluidische Verbindung zwischen dem Substrathalter und der Pumpmembran hergestellt werden. Die Druckluft zwischen dem Substrathalter und dem Substrat kann dadurch zu der Pumpmembran strömen und diese auslenken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Fluiddruck einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck von 0,5 bar bis 5 bar, oder von 0,5 bar bis 3 bar, oder von 1 bar bis 2 bar aufweisen. Ein Überdruck bis zu 5 bar kann vorteilhaft sein, um beispielsweise verhältnismäßig starre metallische Pumpmembranen auszulenken. Flexiblere Pumpmembranen, wie beispielsweise Pumpmembranen aus Silizium, können bereits mit einem Überdruck von etwa 1 bar bis 2 bar ausreichend stark ausgelenkt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Befestigens des Membranaktors an der Pumpmembran ein Anordnen eines Fügemittels auf die dem Membranaktor zugewandten Seite der Pumpmembran und/oder auf die der Pumpmembran zugewandten Seite des Membranaktors aufweisen. Bei dem Fügemittel kann es sich beispielsweise um Klebstoff, insbesondere um einen thermisch aktivierbaren Klebstoff, oder auch um ein Lot handeln. Letzteres kann insbesondere bei aus Silizium gefertigten Pumpmembranen verwendet werden, um den Membranaktor an die Siliziummembran zu bonden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fügemittel ein thermisch aushärtbares Fügemittel sein, und der Schritt des Befestigens des Membranaktors an der Pumpmembran kann ein Erhitzen des Membranaktors und/oder der Pumpmembran bis unterhalb der Curie-Temperatur des Membranaktors zum thermischen Aktivieren des Fügemittels aufweisen. Insbesondere kann etwa bis 20% oder sogar bis zu 10% unterhalb der Curie- Temperatur erhitzt werden. Das Erhitzen kann beispielsweise mittels einer Heizvorrichtung in der Haltevorrichtung erfolgen. Hierfür wäre es denkbar, Heizdrähte oder ähnliches, an der Haltevorrichtung anzuordnen. Durch Erhitzen der Heizvorrichtung können der darin angeordnete Membranaktor und auch die am Membranaktor anliegende Pumpmembran gemeinsam erhitzt werden. Dadurch wird das zwischen dem Membranaktor und der
Pumpmembran angeordnete Fügemittel aktiviert und es kommt zu einer Verbindung zwischen dem Membranaktor und der Pumpmembran.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Bereitstellens des Substrats ein Bereitstellen eines als Wafer ausgestalteten Substrats aufweisen, wobei der Wafer eine Vielzahl von Pumpmembranen für eine entsprechende Vielzahl von Mikropumpen auf- weist, die mittels das Verfahrens zeitlich parallel im Waferverbund herstellbar sind. Das heißt, das Substrat kann ein Wafer bzw. ein Wafersubstrat sein. In dem Wafer können eine Vielzahl, also mindestens zwei, vorzugsweise 30 und mehr, und insbesondere 32 oder 36 einzelne Mikropumpenkörper bzw. Mikropumpenstrukturen mit je einer
Pumpmembran vorgesehen sein. Aus jeder Mikropumpenstruktur kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens je eine Mikropumpe hergestellt werden, d.h. an jeder
Pumpmembran kann jeweils ein Membranaktor in der hierin beschriebenen Weise angeordnet werden. Der Vorteil liegt darin, dass die hierin beschriebenen Verfahrensschritte zeitlich parallel im Waferverbund bzw. auf Waferebene durchführbar sind, sodass nicht nur eine einzelne Mikropumpe sondern eine Vielzahl von Mikropumpen gleichzeitig herstellbar ist. Die dadurch herstellbaren Mikropumpen können anschließend aus dem Wafer vereinzelt werden, sodass einzelne Mikropumpenchips erhältlich sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein geeignetes Werkzeug, um das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Dementsprechend wird eine erfindungsgemäße Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors während der Herstellung einer Mikropumpe vorgeschlagen. Die Haltevorrichtung weist unter anderem eine erste Aussparung mit einem ersten Durchmesser auf, wobei die erste Aussparung einen Randbereich aufweist, an dem der Membranaktor anordenbar ist, und wobei der Membranaktor zumindest teilweise in die erste Aussparung hinein auslenkbar ist. Das heißt, der Membranaktor kann am Rand bzw. an den Rändern der ersten Aussparung angeordnet werden, sodass sich der Membranaktor nur an diesem Randbereich abstützt. Im Bereich der ersten Aussparung selbst liegt der Membranaktor frei auf, d.h. dort ist der Membranaktor nicht gestützt. Somit kann sich der Membranaktor, wenn dieser ausgelenkt wird, in die erste Aussparung hinein erstrecken. Dabei kann der Membranaktor eine Verformung in Gestalt einer kuppelförmigen Wölbung ausbilden. Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung weist außerdem eine zweite Aussparung mit einem zweiten Durchmesser auf, wobei die zweite Aussparung einen Randbereich aufweist, an dem eine Pumpmembran der Mikropumpe anordenbar ist, und wobei die Pumpmembran zumindest teilweise in die zweite Aussparung hinein auslenkbar ist. Das heißt, die Pumpmembran kann am Rand bzw. an den Rändern der zweiten Aussparung angeordnet werden, sodass sie sich nur an diesem Randbereich abstützt. Im Bereich der zweiten Aussparung selbst liegt die Pumpmembran frei auf, d.h. dort ist die Pumpmembran nicht gestützt. Somit kann sich die Pumpmemb- ran, wenn diese ausgelenkt wird, in die zweite Aussparung hinein erstrecken. Dabei kann die Pumpmembran eine Verformung in Gestalt einer kuppelförmigen Wölbung ausbilden. Erfindungsgemäß ist der erste Durchmesser der ersten Aussparung kleiner als der zweite Durchmesser der zweiten Aussparung, und die erste Aussparung ist innerhalb der zwei- ten Aussparung angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, dass sowohl die Pumpmembran als auch der Membranaktor gleichzeitig in der Haltevorrichtung bearbeitet werden können. Dadurch dass sich die Pumpmembran und der Membranaktor jeweils nur an den Rändern der ersten bzw. zweiten Aussparung abstützen, kann die Pumpmembran bzw. der Membranaktor einfach ausgelenkt werden, beispielsweise durch Überdruck, der auf die Pumpmembran bzw. den Membranaktor wirkt, sodass dieser Überdruck die Pumpmembran bzw. den Membranaktor in die jeweilige Aussparung hin- eindrückt. Die Aussparung kann bodenlos ausgeführt sein, d.h. in etwa vergleichbar mit einem Rohr, wobei die Pumpmembran bzw. der Membranaktor in das Rohr hinein ausge- lenkt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung ist die zweite Ausspa- rung in radialer Richtung innerhalb der ersten Aussparung angeordnet. Dies wäre dem- nach vergleichbar mit zwei ineinander geschachtelten Rohren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Randbereich der ersten Aussparung in einer Tiefenrichtung, in der die Pumpmembran und/oder der Membranaktor in die jeweilige Aussparung hinein auslenkbar sind, von dem Randbereich der zweiten Aussparung beab- standet sein. Das heißt, während die zweite Aussparung in radialer Richtung innerhalb der ersten Aussparung angeordnet ist, kann der Randbereich der zweiten Aussparung in axialer Richtung von der ersten Aussparung beabstandet sein. Vorzugsweise kann dabei der Randbereich der zweiten Aussparung nach innen versetzt sein, d.h. der Randbereich der zweiten Aussparung kann von dem Randbereich der ersten Aussparung beabstandet sein, und zwar in einer Richtung, die der Richtung der Verformung bzw. Auslenkung der Pumpmembran bzw. des Membranaktors entspricht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Randbereich der ersten Aussparung relativ zu dem Randbereich der zweiten Aussparung bewegbar angeordnet sein, sodass eine Beabstandung, in Tiefenrichtung, zwischen dem Randbereich der ersten Aussparung und dem Randbereich der zweiten Aussparung variierbar ist. Das heißt, der vorgenannte axiale Versatz zwischen dem Randbereich der ersten Aussparung und dem Randbereich der zweiten Aussparung kann durch die Beweglichkeit der beiden Randbereiche relativ zueinander einstellbar sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Beabstandung, in der Tiefenrichtung, zwi- schen dem Randbereich der ersten Aussparung und dem Randbereich der zweiten Aus- sparung derart gewählt sein, dass eine am Randbereich der zweiten Aussparung angeordnete Pumpmembran in einem ausgelenkten Zustand einen am Randbereich der ersten Aussparung angeordneten Membranaktor berührt. Das heißt, vorzugsweise ist der axiale Versatz so gewählt, dass die Pumpmembran in einem nicht ausgelenkten Zustand den Membranaktor nicht berührt, und dass die Pumpmembran in ihrem ausgelenkten Zustand den Membranaktor berührt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Randbereich der ersten Aussparung und/oder der Randbereich der zweiten Aussparung ringförmig ausgebildet sein. Ein ring- förmiger Randbereich kennzeichnet sich dadurch, dass dieser einen geschlossenen Ring bildet. Die geometrische Form des ringförmigen Randbereichs kann rund oder eckig sein. Vorzugsweise können der Randbereich der ersten Aussparung und/oder der Randbereich der zweiten Aussparung kreisrund und ringförmig ausgebildet sein. Dadurch lassen sich die Pumpmembran bzw. der Membranaktor vollständig und besonders vorteilhaft an den Randbereichen anordnen und in die Aussparung hinein auslenken.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Haltevorrichtung eine Vielzahl von ersten Aussparungen und eine Vielzahl von zweiten Aussparungen aufweisen, wobei die Haltevorrichtung ausgestaltet sein kann, um eine Vielzahl von Membranaktoren während der Herstellung einer entsprechenden Vielzahl von Mikropumpen auf Waferebene zu halten. Das heißt, die erfindungsgemäße Haltevorrichtung ist ausgestaltet, um Wafer mit einer Vielzahl von Mikropumpenstrukturen zu prozessieren. Somit kann mittels der erfin- dungsgemäßen Haltevorrichtung eine Vielzahl von Mikropumpen auf Waferebene hergestellt werden. Dabei kann die Haltevorrichtung eine Vielzahl von Membranaktoren halten, sodass jeder Membranaktor auf jeweils einer Pumpmembran einer entsprechenden Vielzahl von Mikropumpenstrukturen angeordnet werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Mikropumpe, die mit dem vorgenannten Verfahren bzw. unter Einsatz der vorgenannten Haltevorrichtung herstellbar ist.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Aus- führungsbeispiel,
Fig. 2A eine seitliche Schnittansicht einer Mikropumpe, die unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar ist,
Fig. 2B eine weitere seitliche Schnittansicht einer Mikropumpe, die unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar ist,
Fig. 3A eine seitliche Schnittansicht eines auf einem Substrathalter angeordneten
Substrats und einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 3B eine weitere seitliche Schnittansicht eines auf einem Substrathalter angeordneten Substrats und einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig- 4 eine weitere seitliche Schnittansicht eines auf einem Substrathalter angeord- neten Substrats und einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 5A eine Draufsicht auf die Unterseite einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung zum Halten eines Membranaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
Fig. 5B eine seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung zum
Halten eines Membranaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrie- ben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszei- chen versehen sind.
Außerdem wird hierin ein Piezoaktor als ein nicht limitierendes Beispiel für einen auslenk- baren Membranaktor beschrieben. Da die Verformung bzw. die mechanische Vorspan- nung des Membranaktors erfindungsgemäß nicht primär durch das Anlegen einer elektrischen Spannung, wie im Stand der Technik beschrieben, geschieht, können auch andere Arten von Membranaktoren genutzt werden.
Außerdem wird nachfolgend die erfindungsgemäße Haltevorrichtung auch exemplarisch als ein Werkzeug bezeichnet. Figur 1 zeigt eine Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Mikropumpe. Eine solche Mikropumpe weist Abmessungen im Mikrometerbereich auf und kann beispielsweise in MEMS-Bauweise gefertigt sein.
In Block 1010 wird ein Substrat bereitgestellt, das mindestens eine Pumpmembran für die Mikropumpe aufweist. Das Substrat kann beispielsweise ein Wafer sein. Der Wafer kann beispielsweise Silizium aufweisen beziehungsweise aus Silizium gefertigt sein.
In Block 1011 wird ein Membranaktor zum Bewegen der Pumpmembran bereitgestellt und dieser Membranaktor wird in einer Haltevorrichtung angeordnet, beispielsweise in diese eingelegt.
In Block 1012 wird die Haltevorrichtung relativ zu dem Substrat derart ausgerichtet, dass der Membranaktor der Pumpmembran gegenüberliegend angeordnet ist.
In Block 1013 wird die Pumpmembran in Richtung des Membranaktors ausgelenkt, und zwar mittels eines relativ zum Umgebungsdruck höheren Fluiddrucks. Der Fluiddruck wirkt dabei direkt auf die Pumpmembran und lenkt diese zu dem Membranaktor hin aus, so- dass sich die Pumpmembran, bedingt durch den Fluiddruck, in Richtung des Membranak- tors bewegt. Das den Fluiddruck erzeugende Fluid kann vorzugsweise ein Gas, oder alternativ eine Flüssigkeit sein.
In einem weiteren Schritt wird der Membranaktor an der Pumpmembran befestigt. Dieser Schritt kann nach dem Auslenken der Pumpmembran erfolgen, sodass der Membranaktor an der ausgelenkten Pumpmembran befestigt wird. Dieser Schritt kann allerdings auch vor dem Auslenken der Pumpmembran erfolgen, sodass die Pumpmembran anschlie- ßend gemeinsam mit dem daran befestigten Membranaktor ausgelenkt wird. Ziel hierbei ist es, den Membranaktor und/oder die Pumpmembran mechanisch vorzuspannen.
Die Figuren 2A und 2B zeigen eine gegenständliche Abbildung einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mikropumpe 21. Die Mikropumpe 21 weist ein Substrat 22 auf. Das Substrat 22 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein.
In dem Substrat 22 ist eine Pumpenkammer 23 ausgebildet. Das Substrat 21 weist ferner einen Einlass 24 und einen Auslass 25 auf, die beide in die Pumpenkammer 23 münden. Durch den Einlass 24 kann ein Fluid in die Pumpenkammer 23 strömen. Durch den Aus- lass 25 kann das Fluid die Pumpenkammer 23 wieder verlassen. Auf einer Oberseitenfläche 26 des Substrats 22 ist eine Pumpmembran 27 angeordnet. Die Pumpmembran 27 ist der Pumpenkammer 23 gegenüberliegend angeordnet. Die Pumpmembran 27 ist beweglich beziehungsweise flexibel. Auf einer dem Substrat 22 abgewandten Seite der Pumpmembran 27 ist ein Membranaktor 28 an der Pumpmembran 27 angeordnet. Der Membranaktor 28 ist ausgestaitet, um die Pumpmembran 27 zu betätigen, d.h. auszulenken.
Lenkt der Membranaktor 28 die Pumpmembran 27 nach oben, d.h. in eine Richtung von dem Substrat 22 weg, aus (Figur 2B) so führt die Mikropumpe 21 einen Saughub aus und saugt Fluid durch den Einlass 24 an. Im Saughub weisen die Pumpmembran 27 und der Membranaktor 28 eine kuppelförmige Verformung auf. Lenkt der Membranaktor 28 die Pumpmembran 27 nach unten, d.h. in eine Richtung zu dem Substrat 22 hin, aus (Figur 2A) so führt die Mikropumpe 21 einen Druckhub aus und stößt das angesaugte Fluid durch den Auslass 25 aus. in einem unbetätigten Zustand befindet sich die Mikropumpe 21 in der in Figur 2B dargestellten Position. Dabei ist der Membranaktor 28 mechanisch vorgespannt, sodass der Membranaktor 28 die Membran 27 in einer Richtung von dem Substrat 22 weg auslenkt.
Bei der Herstellung der Mikropumpe 21 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der oben beschriebene Pumpmechanismus umgekehrt werden. Das heißt, ein in der Pum- penkammer 23 befindliches Fluid kann die Pumpmembran 27 auslenken. Wenn das Fluid einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck höheren Druck aufweist, dann wird die Pumpmembran 27 in eine Richtung von dem Substrat 22 weg ausgelenkt, sodass die Pumpmembran 27 und der Membranaktor 28 die zuvor erwähnte kuppelförmige Verfor- mung aufweisen.
Die Figuren 3A und 3B zeigen eine gegenständliche Darstellung eines Werkzeugs, das für die Massenfertigung von Mikropumpen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden kann. Hierbei handelt es sich lediglich um ein nicht limitieren- des Beispiel einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungswei- se der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung.
In Figur 3A ist ein Substrathalter 31 abgebildet. Der Substrathalter 31 kann beispielsweise ein Waferhalter, zum Beispiel ein sogenannter Chuck, sein. Das Substrat 22 kann dem- entsprechend ein Wafersubstrat sein, wobei mehrere Mikropumpenstrukturen der vorgenannten Art in dem Wafersubstrat ausgebildet sein können, die anschließend als Mikro- pumpenchips vereinzelt werden können. In Figur 3A ist beispielhaft die Mikropumpe 21 gezeigt.
Das Substrat 22 ist an dem Substrathalter 31 angeordnet. Zwischen dem Substrat 22 und dem Substrathalter 31 ist eine Dichtung 32 angeordnet, die eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Substrat 22 und dem Substrathalter 31 bereitstellt. Die Dichtung 32 kann beispielsweise eine Gummidichtung sein. Die Dichtung 32 kann beispielsweise vollständig umlaufend ausgebildet sein.
Der Substrathalter 31 kann eine Aussparung 34 aufweisen. In der Aussparung 34 können Stützstrukturen 33 vorgesehen sein, um das Substrat 22 mechanisch abzustützen und zu stabilisieren. Die Aussparung 34 kann zumindest in einem Bereich der Ein- und Auslässe 24, 25 der jeweiligen Mikropumpe 21 vorgesehen sein. Außerdem kann der Substrathalter 31 einen Fluidanschluss 35 aufweisen, der in die Aussparung 34 mündet. Wenn das Substrat 22 auf dem Substrathalter 31 angeordnet ist, so kann die Aussparung 34 einen Zwi- schenraum zwischen dem Substrathalter 31 und dem darauf angeordneten Substrat 22 bilden.
Durch den Fluidanschluss 35 kann ein Fluid, symbolisiert durch den Pfeil 36, in die Aussparung 34 einströmen. Das Fluid 36 kann dementsprechend durch die Aussparung 34 und durch den Einlass 24 der Mikropumpe 21 in die Pumpenkammer 23 der Mikropumpe 21 strömen, sodass das Fluid 36 die Pumpmembran 27 auslenken kann. Es wird demnach eine fluidische Verbindung zwischen dem Substrathalter 31 und der Pumpmembran 27 bereitgestellt.
Wie nachfolgend näher beschrieben wird, kann innerhalb dieser fluidischen Verbindung ein Überdruck erzeugt werden, sodass das unter Druck stehende Fluid 36 durch die fluidische Verbindung hindurch zu der Pumpmembran 27 strömt und die Pumpmembran 27 mittels des Fluiddrucks in Richtung des Membranaktors 28 ausgelenkt wird.
Der Fluiddruck kann hierbei einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck von 0,5 bar bis 5 bar, oder von 0,5 bar bis 3 bar, oder von 1 bar bis 2 bar aufweisen.
In Figur 3A ist ein erfindungsgemäße Haltevorrichtung 38 abgebildet. Die Haltevorrichtung 38 ist ausgestaltet, um einen Membranaktor 28 beim Herstellen einer Mikropumpe 21 zumindest temporär zu halten.
In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel kann der Membranaktor 28 derart in der Haltevorrichtung 38 angeordnet werden, dass er eine kuppelförmige Verformung bildet, die sich in dieselbe Richtung wölbt wie die Pumpmembran 27, wenn diese, wie zuvor beschrieben, zum Beispiel mittels eines Fluiddrucks ausgelenkt wird. Durch die kuppelförmige Verformung, die auch als Wölbung bezeichnet werden kann, wird der derart verformte Membranaktor 28 mechanisch vorgespannt.
Der Membranaktor 28 kann derart flexibel sein, dass er sich beim Einlegen in die Haltevorrichtung 38 von alleine wölbt, zum Beispiel wenn der Membranaktor 28 sehr dünn aus- geführt ist.
Der Membranaktor 28 kann aber auch unter Ausübung einer mechanischen Kraft in die Haltevorrichtung 38 eingelegt werden. Beispielsweise kann der Membranaktor 28 in die Haltevorrichtung 38 hineingedrückt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann, wie in Figur 3A schematisch abgebildet, ein gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck geringerer Unterdrück zwischen der Haltevorrichtung 38 und dem Membranaktor 28 erzeugt werden, wodurch der Membranaktor 28 in der Haltevorrichtung 38 mittels des Unterdrucks angesaugt wird und sich, in einer Richtung von der Pumpmembran 27 weg, verformt und dabei mechanisch vorgespannt wird. Dieser Unterdrück ist durch die Pfeile 40 symbolisiert. Hierfür kann die erfindungsgemäße Haltevorrichtung 38 einen Fluidanschluss 39 aufweisen, der in einen Kontaktbereich mündet, in welchem der Membranaktor 28 mit der Haltevorrichtung 38 in Kontakt kommt. Vorzugsweise kann eine Vakuumpumpe an dem Fluidanschluss 39 angeschlossen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann außerdem eine elektrische Spannung an den Membranaktor 28 angelegt werden, sodass sich dieser, in einer Richtung von der Pumpmembran 27 weg, verformt und dabei mechanisch vorgespannt wird.
Die Haltevorrichtung 38 wird relativ zu dem Substrat 22 derart ausgerichtet, dass der darin eingelegte Membranaktor 28 einer an dem Substrat 22 angeordneten Pumpmembran 27 gegenüberliegt. Anschließend kann die Haltevorrichtung 38 nach unten, d.h. in Richtung des Substrats 22, verfahren werden, um den Membranaktor 28 und die Pumpmembran 27 in eine räumliche Nähe zueinander zu bringen. Dies ist in Figur 3B dargestellt.
Der mechanisch vorgespannte Membranaktor 28 liegt nun der Pumpmembran 27 gegenüber und wird nun mit der Pumpmembran 27 verbunden. Optional kann ein Fügemittel 27 zwischen dem Membranaktor 28 und der Pumpmembran 27 vorgesehen sein. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Klebstoff handeln. Wie eingangs erwähnt, kann die Pumpmembran 27 mittels des Fluiddrucks 36 so weit in Richtung des Membranaktors 28 ausgelenkt werden, dass sich die Pumpmembran 27 an den in der Haltevorrichtung 38 eingelegten und verformten sowie mechanisch vorgespannten Membranaktor 28 anschmiegt.
Dies ist schematisch in Figur 4 skizziert. Hier ist der Substrathalter 31 , das daran angeordnete Substrat 22 und die dazwischen angeordnete Dichtung 32 zu sehen. Der Überdruck 36 gelangt durch den Einlass der jeweiligen Mikropumpenstruktur zu der jeweiligen Pumpmembran 27 und lenkt diese in einer Richtung von dem Substrat 22 weg aus.
In der gegenüberliegend angeordneten Haltevorrichtung 38 sind die jeweiligen Membranaktoren 28 angeordnet. Sowohl die Pumpmembran 27 als auch der Membranaktor 28 weisen eine kuppelförmige Verformung, beziehungsweise Wölbung, auf. Nun kann an- schließend daran die Haltevorrichtung 38 in Richtung des Substrats 22 verfahren werden, sodass sich die ausgelenkte Pumpmembran 27 an den in der Haltevorrichtung 38 einge- legten und verformten sowie mechanisch vorgespannten Membranaktor 28 anschmiegt.
Bei dem in Figur 3B gezeigten Beispiel kann die Reihenfolge von dem in Figur 4 abgebil- deten Beispiel abweichen. In Figur 3B kann beispielsweise zuerst die Haltevorrichtung 38 in Richtung des Substrats 22 verfahren werden, sodass der darin eingelegte Membranak- tor 28 einer noch nicht ausgelenkten Pumpmembran 27 gegenüberliegt. Im Anschluss daran kann dann die Pumpmembran 27 mittels des Überdrucks 36 ausgelenkt werden, sodass sich die ausgelenkte Pumpmembran 27 an den in der Haltevorrichtung 38 einge- legten und verformten sowie mechanisch vorgespannten Membranaktor 28 anschmiegt. Der Vorteil besteht darin, dass sich die ausgelenkte Pumpmembran 27 beim Verbinden mit dem Membranaktor 28 in der Haltevorrichtung 38 abstützen kann.
In einer alternativen Ausführungsform ist es denkbar, dass der Membranaktor 28 zwar bereits in die Haltevorrichtung 38 eingelegt, aber noch nicht verformt und mechanisch vorgespannt ist. Stattdessen kann nur die Pumpmembran 27 aktiv ausgelenkt werden und dabei den Membranaktor 28 mitnehmen, d.h. der Membranaktor 28 wird passiv durch die Pumpmembran 27 ausgelenkt. Demnach kann also die Pumpmembran 27 mittels des Fluiddrucks 36 derart in Richtung des Membranaktors 28 ausgelenkt werden, dass die Pumpmembran 27 den in der Haltevorrichtung 38 eingelegten, aber noch nicht mechanisch vorgespannten, Membranaktor 28 berührt und die Pumpmembran 27 und der Membranaktor 28 gemeinsam ausgelenkt werden, wodurch sich der Membranaktor 28 verformt und mechanisch vorgespannt wird. Wie eingangs erwähnt, kann ein optionales Fügemittel 37 zwischen der Pumpmembran 27 und dem Membranaktor 28 vorgesehen sein. Das optionale Fügemittel 37 zum Zusammenfügen des verformten und mechanisch vorgespannten Membranaktors 28 mit der Pumpmembran 27 kann beispielsweise ein thermisch aushärtbarer Klebstoff sein. In die- sem Fall kann die Haltevorrichtung 38 in einem Ausführungsbeispiel ein Mittel zum Erhitzen des Membranaktors 28 aufweisen. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung 38 Heizdrähte aufweisen mittels derer der Membranaktor 28 beheizt werden kann. Die in den Membranaktor 28 eingeleitete Wärme wird von dem Membranaktor 28 an das Fügemittel 37 abgegeben, welches daraufhin aushärtet. Dabei wird jedoch auch Wärme an die Pumpmembran 27 abgegeben.
Die Mittel zum Erhitzen des Membranaktors 28 sollten dabei derart ausgestaltet sein, dass beim thermischen Aktivieren des Fügemittels 37 der Membranaktor 28 und/oder die Pumpmembran 27 lediglich bis unterhalb ihrer jeweiligen Curie-Temperatur erhitzt werden. Dadurch vermeidet man Schäden an der Pumpmembran 27 und insbesondere an dem Membranaktor 28, der dadurch seine mechanische Vorspannung verlieren kann.
Das Fügemittel 37 kann auf der dem Membranaktor 28 zugewandten Seite der
Pumpmembran 27 und/oder auf der der Pumpmembran 27 zugewandten Seite des Membranaktors 28 aufgebracht werden. Außerdem kann die Auslenkung der
Pumpmembran 27 solange erfolgen bis das Fügemittel 37 ausgehärtet ist, um die mecha- nische Vorspannung des Membranaktors 28 dauerhaft zu realisieren.
Außerdem kann das Auslenken der Pumpmembran 27 an einzelnen Mikropumpen passieren, oder auch im Waferverbund, das heißt bei einem Substrat 22, das mehrere noch nicht vereinzelte Mikropumpen aufweist, wie dies beispielhaft in den Figuren 3A und 3B gezeigt ist. Dabei können mehrere Membranaktor-Montagen parallel erfolgen. Dasselbe gilt für Kassetten in denen Mikropumpen parallel montiert werden.
Wie in den Figuren 3A, 3B und 4 angedeutet ist, kann die Haltevorrichtung 38 eine Vertiefung aufweisen, in die der Membranaktor 28 sich einfügt. Diese Vertiefung kann als ein gewölbter Boden ausgeführt sein und eine Kugelkappenform aufweisen. Der Membranaktor 28 schmiegt sich an diesen gewölbten kugelkappenförmigen Boden an und nimmt somit die Form des gewölbten kugelkappenförmigen Bodens an. Dieser gewölbte kugelkappenförmige Boden kann auch als ein Kontaktabschnitt der Haltevorrichtung 38 bezeichnet werden, da der Membranaktor 28 an diesem Kontaktabschnitt mit der Haltevorrichtung 38 in Kontakt kommt. Die Figuren 5A und 5B zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Haltevorrichtung 38. Figur 5A zeigt eine Draufsicht auf die Haltevorrichtung 38 von unten, wobei kein Membranaktor eingelegt ist. Figur 5B zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 38, wobei ein Membranaktor 28 in die Haltevorrichtung 38 eingelegt ist, und zwar während eines Verfahrensschritts, bei dem der eingelegte Membranaktor 28 mit einer Pumpmembran 27 verbunden wird.
Zur nachfolgenden detaillierten Beschreibung der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 38 wird auf die Figuren 5A und 5B gleichzeitig verwiesen.
Dieses Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 38 kann bodenlos ausgeführt sein, d.h. die Haltevorrichtung 38 weist keinen gewölbten kugelkappenförmi- gen Boden auf. Stattdessen kann die Haltevorrichtung 38 eine erste Aussparung 51a mit einem ersten Durchmesser Di aufweisen, wobei die erste Aussparung 51a einen Randbereich 51b aufweist, an dem der Membranaktor 28 anordenbar ist. Die erste Aussparung 51a ist somit in etwa vergleichbar mit einem Rohrabschnitt.
Außerdem ist der Membranaktor 28, wenn er an dem Randbereich 51b angeordnet ist, zumindest teilweise in die erste Aussparung 51a hinein auslenkbar. Dies ist insbesondere in Figur 5B zu sehen. Hier wird der Membranaktor 28 zumindest teilweise in die erste Aussparung 51 a hinein ausgelenkt. Dies kann zum Beispiel durch Ansaugen des Memb- ranaktors 28 mittels Unterdrück 40 geschehen. Dabei stützt sich der Membranaktor 28 an dem Randbereich 51 b der ersten Aussparung 51a ab, sodass der ausgelenkte Membran- aktor 28 eine kuppelförmige Verformung, bzw. eine Wölbung, aufweist. Der Membranaktor 28 wird dadurch mechanisch vorgespannt.
Die Haltevorrichtung 38 weist außerdem eine zweite Aussparung 52a mit einem zweiten Durchmesser D2 auf, wobei die zweite Aussparung 52a einen Randbereich 52b aufweist, an dem eine Pumpmembran 27 der Mikropumpe 21 anordenbar ist. Auch die zweite Aus- sparung 52a ist somit in etwa vergleichbar mit einem Rohrabschnitt.
Außerdem ist die Pumpmembran 27 zumindest teilweise in die zweite Aussparung 52a hinein auslenkbar. Dies ist wiederum insbesondere in Figur 5B zu sehen. Hier wird die Pumpmembran 27 zumindest teilweise in die zweite Aussparung 52a hinein ausgelenkt. Dies kann zum Beispiel durch Auslenken der Pumpmembran 27 mittels Überdruck 36 geschehen. Dabei stützt sich die Pumpmembran 27 an dem Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a ab, sodass die ausgelenkte Pumpmembran 27 eine kuppelförmige Verformung, bzw. eine Wölbung, aufweist. Die Wölbungen der Pumpmembran 27 und des Membranaktors 28 können etwa gleich sein. So kann die ausgelenkte Pumpmembran 27 mit dem vorgespannten Membranaktor 28 einfach verbunden werden.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, dass der erste Durchmesser Di der ersten Aussparung 51a kleiner ist als der zweite Durchmesser D2 der zweiten Aussparung 52a, und dass die erste Aussparung 51 a innerhalb der zweiten Aussparung 52a angeordnet ist.
Für die Herstellung der Mikropumpe 21 kann sowohl die erfindungsgemäße Haltevorrichtung 38 mit dem eingangs beschriebenen gewölbten kugelkappenförmigen Boden, als auch die unter Bezugnahme auf die Figuren 5A und 5B beschriebene bodenlose Ausfüh- rungsform, die in etwa mit einem Rohrabschnitt vergleichbar ist, genutzt werden. Bezüglich der Herstellbarkeit der Haltevorrichtung 38 weist die bodenlose Version die folgenden Vorteile gegenüber der Haltevorrichtung mit gewölbtem kugelkappenförmigem Boden auf.
Wenn die Haltevorrichtung 38 nämlich eine konische Form haben soll, so ist diese im ge- wünschten Mikrometerbereich schwierig herzustellen. Der Konus sollte dabei stets der Biegeform der Vorspannung des Membranaktors 28 entsprechen. Es handelt sich hierbei um Kavitäten von nur 5 pm bis 50 pm Tiefe, die aber kontinuierlich und ohne Fehlstellen gefertigt werden sollten.
Dieses Problem wird zusätzlich dadurch verschärft, dass je nach Maskendesign mehrere Tausend dieser Kavitäten auf einem Werkzeug hergestellt werden müssen. Eine Möglichkeit, Geometrien mit dieser Genauigkeit herzustellen, ist das erodieren. Somit kann man beispielsweise die eingangs erwähnten Ausführungsformen mit gewölbtem kugelkappenförmigem Boden herstellen.
Allerdings können sich beim Erodieren prozessbedingt Fehlstellen (Lunker, oder Schwankungen durch den Abtrag der Elektroden) ergeben. Diese Probleme waren an der Fraunhofer EMFT bereits bei einem Werkzeug mit drei Kavitäten zu beobachten (z.B. für eine Drei-Kammer Peristaltikpumpe). Die Werkzeug kosten für die Herstellung eines solchen Werkzeugs wären daher sehr hoch, wenn es denn überhaupt möglich ist, ein Werkzeug mit mehreren tausend„exakten“ Kavitäten herzustellen.
Die unter Bezugnahme auf die Figuren 5A und 5B beschriebene Ausführungsform der Haltevorrichtung 38 schafft hierfür eine Abhilfe. Es kann hierbei nämlich bereits ausreichend sein, lediglich die Durchmesser Di, Dz der Randbereiche 51 b, 52b der jeweiligen Vertiefungen 51 a, 52a mit ausreichend hoher Präzision zu fertigen. Dadurch sinken die Herstellungskosten für ein solches Werkzeug erheblich.
Die Haltevorrichtung 38 kann also beispielsweise so gestaltet werden, dass die
Pumpmembran 27 bzw. der Membranaktor 28 nur noch an den beiden Randbereichen 51b, 52b, z.B. in Form von zwei Ringen (auch andere Formen möglich), gehalten wird. Dadurch sinkt das Risiko für Fehlstellen erheblich. Der äußere bzw. zweite Randbereich 52b (z.B. zweiter Ring) drückt die Pumpmembran 27 in eine erste Ebene, während der innere bzw. erste Randbereich 51 b (z.B. erster Ring) den Membranaktor 28 in der Nähe des Rands des Membranaktors 28 in eine zweite Ebene herabdrückt. Statt Ringe kann jeder Randbereich beispielsweise auch aus n„Stößeln“ bestehen.
Wie in Figur 5A zu sehen ist, sind die beiden Randbereiche 51 b, 52b in radialer Richtung voneinander beanstandet. In radialer Richtung sind der erste und der zweite Randbereich 51 b, 52b im Bereich von wenigen Mikrometern voneinander beabstandet.
Wie in Figur 5B zu sehen ist, sind die beiden Randbereiche 51 b, 52b auch in einer axialen Richtung voneinander beabstandet, was durch das Maß Zi gekennzeichnet ist. Diese axiale Richtung wird auch als Tiefenrichtung bezeichnet. In dieser Tiefenrichtung sind der erste und der zweite Randbereich 51 b, 52b im Bereich von wenigen Mikrometern vonei- nander beabstandet.
Dabei ist der radial innere bzw. erste Randbereich 51 b gegenüber dem radial äußeren bzw. zweiten Randbereich 52b axial nach innen versetzt, d.h. in eine Richtung, in der die Pumpmembran 27 ausgelenkt bzw. der Membranaktor 28 vorgespannt wird.
In anderen Worten kann also der Randbereich 51b der ersten Aussparung 51a in einer Tiefenrichtung Zi, in der die Pumpmembran 27 und/oder der Membranaktor 28 in die jeweilige Aussparung 51a, 52a hinein auslenkbar sind, von dem Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a beabstandet sein. in einer weiteren Ausführungsform kann die Haltevorrichtung 38 so gestaltet werden, dass die Randbereiche 51 b, 52b (z.B. Ringe) im Mikrometerbereich in z-Achse, d.h. in der Tief- fenrichtung, axial bzw. vertikal gegeneinander verschiebbar sind. So können auch Mikropumpen mit verschiedenen Membran- und Piezodicken mit einer Haltevorrichtung 38 montiert werden.
In anderen Worten kann also beispielsweise der Randbereich 51 b der ersten Aussparung 51a relativ zu dem Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a bewegbar angeordnet sein, sodass eine Beabstandung Zi, in Tiefenrichtung, zwischen dem Randbereich 51b der ersten Aussparung 51a und dem Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a variierbar ist. Beispielsweise kann der radial innere bzw. der Randbereich 51 b der ersten Aussparung 51 b in axialer Richtung Zi beweglich ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch der radial äußere bzw. der Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a in axialer Richtung Zi beweglich ausgeführt sein.
Unabhängig davon, ob die Randbereiche 51b, 52b der ersten und/oder zweiten Ausspa- rung 51a, 52b in axialer Richtung beweglich sind oder nicht, kann die axiale Beabstandung Zi zwischen der Unterseite des Randbereichs 51 b der ersten Aussparung 51a und der Unterseite des Randbereichs 52b der zweiten Aussparung 52a derart gewählt sein, dass die ausgelenkte Pumpmembran 27 mit dem vorgespannten Membranaktor 28 in Kontakt kommt.
In anderen Worten kann die Beabstandung Zi in der Tiefenrichtung zwischen dem Rand- bereich 51 b der ersten Aussparung 51a und dem Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a derart gewählt sein, dass eine am Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a angeordnete Pumpmembran 27 in einem ausgelenkten Zustand einen am Randbe- reich 51 b der ersten Aussparung 51a angeordneten Membranaktor 28 berührt.
Wie eingangs erwähnt kann der Randbereich 51b der ersten Aussparung 51a und/oder der Randbereich 52b der zweiten Aussparung 52a ringförmig ausgebildet sein. Ringförmig bedeutet, dass die Form in sich geschlossen ist. Der in sich geschlossene ringförmige Randbereich 51 b, 52b kann eine beliebige geometrische Form aufweisen. Vorzugsweise weist der in sich geschlossene ringförmige Randbereich 51 b, 52b eine kreisrunde Form auf, sodass der Randbereich 51 b, 52b einen Kreisring bildet.
Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren nochmals mit anderen Worten beschrieben, wobei der Membranaktor 28 auch als Biegewandler oder Piezo bezeichnet wird:
Erfindungsgemäß erfolgt eine Vorbiegung des Membranaktors 28 durch mechanische Mittel. Die Pumpenmembran 27 kann auf Wafer-Ebene (oder einem Feld von Pumpen- chips) durch Gasdruck aufgeblasen werden, sodass sie sich an den Biegewandler 28 anschmiegt, der sich frei, oder beschränkt durch eine mechanische Form oder durch Sensoren begrenzt, verbiegen kann. Die Membran 27 und/oder der Biegewandler 28 können zuvor mit einem Verbindungsmittel 37, Klebstoff oder Niedertemperaturlot (z.B. im Siebdruckverfahren) versehen werden, damit nach dem Aufblasen der Membrane 27 eine Klebung oder Fügung mit dem Biegewandler 28, z.B. durch Anwendung von Temperatur, erfolgen kann.
Damit ergeben sich die folgenden Vorteile:
• Im Stand der Technik ist die Vorspannung (im mechanischen Sinn) beim Anlegen von elektrischen Spannungen durch die maximale elektrische Durchbruchfeldstär- ke des Piezomaterials begrenzt. Die erfindungsgemäße mechanische Vorbiegung des Membranaktors 28 kann hingegen diese Grenze überschreiten und das Potential des Biegewandlers 28 (in Richtung höhere Auslenkung und damit höheres Pumpvolumen) erhöhen.
• Es werden keine aufwändigen und störanfälligen Kontaktstiftfelder benötigt.
• Es ermöglicht einen Wafer-Level Prozess und die Pumpenchips müssen nicht nach dem Sägen neu in einem Feld arrangiert werden.
• Mit Sensoren ist eine Qualitätsprüfung und Einstellung der mechanischen Vorspannung möglich
• Bei Metallpumpen kann eine ungewollte Verbiegung durch die mechanisch Einspannung vermieden werden
Nachfolgend wird, unter Bezugnahme auf die Figuren 3A und 3B, ein Beispiel für einen Prozessfluss zur Piezomontage mit mechanischer Vorspannung des Piezos 28 beschrieben:
1) Eine Scheibe 22 (z.B. Wafer) oder das Feld (Array) mit den vorgefertigten Pumpenchips wird auf einen Waferhalter 31 mit O-Ringen 32 am Waferrand aufgelegt.
Stützelemente 33, wie zum Beispiel Zwischenstege, Stempel oder Dichtungen sorgen für eine waagrechte Auflage des Wafers 22 auf dem Waferhalter 31.
2) Ein Kleber 37 oder ein Niedertemperaturlot wird auf dem Piezokristall 28 und/oder auf der Pumpenmembran 27 aufgetragen, z.B. im Screenprinting Verfahren oder anderen Dosierverfahren.
3) Die Piezoaufnahme (Haltevorrichtung) 38 mit Vertiefungen (z.B. in Kugelkappenform) wird vorher mit der entsprechenden Anzahl Piezos 28 mit pick-and-place Verfahren bestückt. Option 1 : Am Piezohalter 38 wird ein Vakuum 40 angelegt, so dass sich die Piezos 28 in die jeweilige kugelkappenförmigen Vertiefungen hineinbiegen.
Option 2: Die Piezos 28 werden nur eingelegt (ohne Vakuum)
4) Dann wird der Waferhalter 31 auf den Piezohalter 38 aufgepresst und der Wafer 22 wird anschließend von hinten (d.h. von der dem Piezohalter 38 gegenüberlie- gend angeordneten Seite der jeweiligen Pumpenmembranen 27) mit Druck 36 be- aufschlagt, sodass sich die Form der Pumpmembranen 27 an die Form der vorge- bogenen Piezos 28 anpasst bzw. sodass die Pumpmembranen 27 die Piezos 28, beispielsweise kugelkappenförmig, verbiegen.
5) Jetzt kann über Heizdrähte im Piezohalter 38 die Vernetzung des Klebers 37 erfolgen. Dabei können Temperaturen bis knapp an die Curie Temperatur des Piezos 28 genutzt werden, ohne dass der Piezo 28 an Vorspannung verliert. Anschließend können das Vakuum 40 bzw. der Druck 36 entspannt werden und der Waferverbund 22, bzw. das Feld (Array), ist mit den unter mechanischer Vorspannung stehenden Piezos 28 bestückt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Haltevorrichtung 38 bie- ten einen eindeutigen Vorteil gegenüber Verfahren, bei denen der Membranaktor 28 mit- tels elektrischer Spannung ausgelenkt und dadurch mechanisch vorgespannt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Membranaktor mechanisch, z.B. mittels Unterdrück 40, ausgelenkt.
Der Unterschied zwischen einer Mikropumpe, die mit herkömmlichen Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde, und einer Mikropumpe, die mit einem erfindungsge- mäßen Verfahren hergestellt wurde, ist unter anderem dadurch erkennbar, dass sich die Form des Membranaktors unterscheidet. Das heißt, die Form eines mittels elektrischer Spannung vorgespannten Membranaktors unterscheidet sich von der Form eines mecha- nisch vorgespannten Membranaktors.
Außerdem sind bei mittels elektrischer Spannung vorgespannten Membranaktoren stets Kontaktspuren für das Anlegen der elektrischen Vorspannung am Membranaktor erkenn- bar.
Erste Versuche haben gezeigt, dass die Leistungsdaten einer unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Mikropumpe höher sein kann als die einer herkömmlichen Mikropumpe mit einem mittels elektrischer Spannung vorgespannten Membranaktor.
Eine unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Mikropumpe kann beispielsweise in folgenden Bereichen eingesetzt werden:
• Mikropumpen im Medizinbereich,
• Mikropumpen in Consumerbereich (z.B. Smart Phones)
• Mikropumpen für Duft bei Virtual Reality Brillen
• Mikropumpen für Vakuumanwendungen (z.B. Entgaser)
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die mit den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ohne Einschränkungen kombinierbar sind, betreffen:
Die hierin beschriebene Haltevorrichtung 38, wobei die Haltevorrichtung 38 einen Fluidanschluss 39 aufweist, der fluidisch mit der ersten Aussparung 51a verbunden ist. An diesem Fluidanschluss 39 kann beispielsweise eine Pumpe, zum Beispiel eine Vakuumpum- pe, angeschlossen werden. Die Pumpe kann ein in der ersten Aussparung 51a vorhande- nes Fluid (z.B. Luft) ansaugen und somit in der ersten Aussparung 51a einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck geringeren Fluiddruck erzeugen, durch den der Membranaktor 28 zumindest teilweise in die erste Aussparung 51a hinein auslenkbar ist.
Ein System mit einer hierin beschriebenen Haltevorrichtung 38, einem Substrathalter 31 zum Aufnehmen eines Substrats 22, wobei der Substrathalter 31 eine Dichtung 32 zum Herstellen einer fluiddichten Verbindung zwischen dem Substrathalter 31 und einem da- rauf angeordneten Substrat 22 aufweist.
Das oben genannte System, wobei der Substrathalter 31 einen Fluidanschluss 35 auf- weist, der in einen zwischen dem Substrathalter 31 und dem darauf angeordneten Substrat 22 ausgebildeten Zwischenraum 34 mündet und durch den ein Fluid in diesen Zwischenraum 34 einleitbar ist.
Das oben genannte System, wobei das in den Zwischenraum 34 einleitbare Fluid unter Druck in den Zwischenraum 34 einleitbar ist, wobei das Fluid einen gegenüber dem Umgebungsatmosphärendruck höheren Fluiddruck aufweist. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Ver- fahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Ve rfa h re nssch rittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe (21) mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Substrats (22), das mindestens eine Pumpmembran (27) für die Mikropumpe (21) aufweist,
Bereitstellen eines Membranaktors (28) zum Bewegen der Pumpmembran (27) und Anordnen des Membranaktors (28) in eine Haltevorrichtung (38),
Ausrichten der Haltevorrichtung (38) relativ zu dem Substrat (22) derart, dass der Membranaktor (28) der Pumpmembran (27) gegenüberliegend angeordnet ist,
Auslenken der Pumpmembran (27) in Richtung des Membranaktors (28) mittels eines relativ zum Umgebungsdruck höheren Fluiddrucks (36), und
Befestigen des Membranaktors (28) an der Pumpmembran (27).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Membranaktor (28) derart in der Haltevor- richtung (38) angeordnet wird, dass er eine kuppelförmige Verformung bildet, die sich in dieselbe Richtung wölbt wie die ausgelenkte Pumpmembran (27), wodurch der verformte Membranaktor (28) mechanisch vorgespannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Anordnens des Memb- ranaktors (28) in die Haltevorrichtung (38) aufweist:
Einlegen des Membranaktors (28) in die Haltevorrichtung (38) und Ausü- ben einer mechanischen Kraft auf den Membranaktor (28), sodass sich der in die Haltevorrichtung (38) eingelegte Membranaktor (28), in einer Richtung von der Pumpmembran (27) weg, verformt und dadurch mechanisch vorgespannt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt des Anordnens des Membranaktors (28) in die Haltevorrichtung (38) aufweist:
Erzeugen eines Unterdrucks (40) zwischen der Haltevorrichtung (38) und dem Membranaktor (28), wodurch der Membranaktor (28) in der Haltevorrichtung (38) mittels des Unterdrucks (40) angesaugt wird und sich, in einer Richtung von der Pumpmembran (27) weg, verformt und dabei mechanisch vorgespannt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Anordnens des Membranaktors (28) in die Haltevorrichtung (38) aufweist: Anlegen einer elektrischen Spannung an den Membranaktor (28), sodass sich dieser, in einer Richtung von der Pumpmembran (27) weg, verformt und dabei mechanisch vorgespannt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pumpmembran (27) mittels des Fluiddrucks (36) so weit in Richtung des Membranaktors (28) ausgelenkt wird, dass sich die Pumpmembran (27) an den in der Haltevorrichtung (38) einge- legten und verformten sowie mechanisch vorgespannten Membranaktor (28) anschmiegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pumpmembran (27) mittels des Fluiddrucks (36) derart in Richtung des Membranaktors (28) ausgelenkt wird, dass die Pumpmembran (27) den in der Haltevorrichtung (38) eingelegten
Membranaktor (28) berührt und die Pumpmembran (27) und der Membranaktor (28) gemeinsam ausgelenkt werden, wobei sich der Membranaktor (28) verformt und mechanisch vorgespannt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Be- reitstellens des Substrats (22) aufweist:
Anordnen des Substrats (22) auf einem Substrathalter (31), und
Bereitstellen einer fluiddichten Verbindung zwischen dem Substrat (22) und dem Substrathalter (31), und Bereitstellen einer fluidischen Verbindung zwischen dem Substrathalter (31) und der Pumpmembran (27), Erzeugen des Fluiddrucks (36) innerhalb der fluidischen Verbindung, so- dass das unter Druck stehende Fluid durch die fluidische Verbindung hindurch zu der Pumpmembran (27) strömt und die Pumpmembran (27) mittels des Fluiddrucks in Richtung des Membranaktors (28) ausgelenkt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fluiddruck (36) einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck von 0,5 bar bis 5 bar, oder von 0,5 bar bis 3 bar, oder von 1 bar bis 2 bar aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Be- festigens des Membranaktors (28) an der Pumpmembran (27) aufweist:
Anordnen eines Fügemittels (37) auf die dem Membranaktor (28) zuge- wandten Seite der Pumpmembran (27) und/oder auf die der Pumpmembran (27) zugewandten Seite des Membranaktors (28).
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Fügemittel (37) ein thermisch aushärtbares Fügemittel ist, und wobei der Schritt des Befestigens des Membranaktors (28) an der Pumpmembran (27) aufweist:
Erhitzen des Membranaktors (28) und/oder der Pumpmembran (27) bis unterhalb der Curie-Temperatur des Membranaktors (28) zum thermischen Aktivieren des Fügemittels (37).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei der Schritt des Bereitstellens des Substrats (22) aufweist:
Bereitstellen eines als Wafer ausgebildeten Substrats (22), wobei der
Wafer eine Vielzahl von Pumpmembranen (27) für eine entsprechende
Vielzahl von Mikropumpen (21) aufweist, die mittels das Verfahrens zeitlich parallel im Waferverbund herstellbar sind.
13. Haltevorrichtung (38) zum Halten eines Membranaktors (28) während der Herstellung einer Mikropumpe (21) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Haltevorrichtung (38) aufweist: eine erste Aussparung (51a) mit einem ersten Durchmesser (Di), wobei die erste Aussparung (51a) einen Randbereich (51 b) aufweist, an dem der Membranaktor (28) anordenbar ist, und wobei der Membranaktor (28) zumindest teilweise in die erste Aussparung (51a) hinein auslenkbar ist, eine zweite Aussparung (52a) mit einem zweiten Durchmesser (D2), wobei die zweite Aussparung (52a) einen Randbereich (52b) aufweist, an dem eine Pumpmembran (27) der Mikropumpe (21) anordenbar ist, und wobei die Pumpmembran (27) zumindest teilweise in die zweite Aussparung (52a) hinein auslenkbar ist, wobei der erste Durchmesser (Di) der ersten Aussparung (51a) kleiner ist als der zweite Durchmesser (D2) der zweiten Aussparung (52a), und die erste Aussparung (51a) innerhalb der zweiten Aussparung (52a) angeordnet ist.
14. Haltevorrichtung (38) nach Anspruch 13, wobei der Randbereich (51 b) der ersten Aussparung (51a) in einer Tiefenrichtung (Zi), in der die Pumpmembran (27) und/oder der Membranaktor (28) in die jeweilige Aussparung (51 a, 52a) hinein auslenkbar sind, von dem Randbereich (52b) der zweiten Aussparung (52a) beab- standet ist.
15. Haltevorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Randbereich (51 b) der ersten Aussparung (51a) relativ zu dem Randbereich (52b) der zweiten Aussparung (52a) bewegbar angeordnet ist, sodass eine Beabstandung (Z-i) in Tiefenrichtung, zwischen dem Randbereich (51 b) der ersten Aussparung (51a) und dem Randbereich (52b) der zweiten Aussparung (52a) variierbar ist.
16. Haltevorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Beabstan- dung (Zi) in der Tiefenrichtung, zwischen dem Randbereich (51b) der ersten Aus- sparung (51a) und dem Randbereich (52b) der zweiten Aussparung (52a) derart gewählt ist, dass eine am Randbereich (52b) der zweiten Aussparung (52a) ange- ordnete Pumpmembran (27) in einem ausgelenkten Zustand einen am Randbe- reich (51b) der ersten Aussparung (51a) angeordneten Membranaktor (28) berührt.
17. Haltevorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Randbe- reich (51 b) der ersten Aussparung (51a) und/oder der Randbereich (52b) der zweiten Aussparung (52a) ringförmig ausgebildet sind.
18. Haltevorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Haltevorrichtung (38) eine Vielzahl von ersten Aussparungen (51a) und eine Vielzahl von zweiten Aussparungen (52a) aufweist, und wobei die Haltevorrichtung (38) ausgestaltet ist, um eine Vielzahl von Membranaktoren (28) während der Herstellung einer entsprechenden Vielzahl von Mikropumpen (21) auf Waferebene zu halten.
19. Mikropumpe (21) herstellbar mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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