DE19637928C2 - Bistable membrane activation device and membrane - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Membran-Aktivierungseinrichtung in Siliziumtechnologie zur Steuerung von Flüssigkeiten oder Gasen, wie gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 umschrieben.The invention relates to a membrane activation device in Silicon technology to control liquids or gases, as circumscribed according to the preamble of claim 1.
Es besteht in vielen Anwendungsbereichen Bedarf an Mikroschaltern und Mikroventilen, z. B. für pneumatische Steuerungen, miniaturisierte chemische Analysesysteme oder zur Dosierung von Medikamenten. Vorteile sind neben der hohen Miniaturisierung kurze Schaltzeiten und geringe Totvolumina, vgl. WO 91/464, EP 512 521 A, DE 44 18 450 A.There is a need for many areas of application Microswitches and micro valves, e.g. B. for pneumatic Controls, miniaturized chemical analysis systems or Dosage of medication. In addition to the high benefits Miniaturization, short switching times and low dead volumes, see. WO 91/464, EP 512 521 A, DE 44 18 450 A.
In der DE 39 26 066 C2 ist ein Kompressorkaskadenelement in dortiger Fig. 1a und 1b gezeigt. Jeweils drei hintereinander geschaltete mikromechanische Membranpumpen P1, P2 und P3 werden erwähnt, die mit Membranen und elektrischen Spannungen arbeiten (vgl. dort Spalte 2, Zeile 45 ff. und Spalte 3, Zeile 10 ff.). Die elektrostatischen Anziehungskräfte versetzen die dortigen Membranen M in mechanische Oszillation, die mit einer definierten Resonanzfrequenz im wesentlichen synchron ist (vgl. Spalte 3, Zeile 65 ff.). Aus der JP 1-266376 A1 (wiedergegeben in Patent Abstracts of Japan M-921, 18. Januar 1990, Vol. 14, No. 26) ist eine elastische Siliziumschicht dem Fachmann zugänglich (dort mit 10 bezeichnet), die von Aktuatoren (dort 1, 2, 3) ausgelenkt wird, um eine Ventilfunktion in entsprechend angepaßten Ventilböden sperrend oder durchlassend zu erreichen. Die dortige Membran 10 ist im Ruhezustand flach und wird nur ausgelenkt durch die Einwirkung der dortigen Stößel-Aktuatoren.In DE 39 26 066 C2, a compressor cascade element is shown in FIGS. 1a and 1b there. Three series-connected micromechanical diaphragm pumps P1, P2 and P3 are mentioned that work with diaphragms and electrical voltages (see column 2, lines 45 ff. And column 3, lines 10 ff.). The electrostatic attractive forces put the membranes M there in mechanical oscillation, which is essentially synchronous with a defined resonance frequency (cf. column 3, line 65 ff.). From JP 1-266376 A1 (reproduced in Patent Abstracts of Japan M-921, January 18, 1990, Vol. 14, No. 26), an elastic silicon layer is accessible to the person skilled in the art (designated there by 10), that of actuators (there 1, 2, 3) is deflected in order to achieve a valve function in correspondingly adapted valve bottoms to achieve blocking or passage. The membrane 10 there is flat in the idle state and is only deflected by the action of the tappet actuators there.
Der Oberbegriff des Anspruchs 1 ist abgeleitet aus der DE 39 26 647 A1, in der eine Membran-Aktivierungseinrichtung beschrieben wird, die eine Auslenkung gemäß dortiger Fig. 2 hat und mit Elektroden arbeitet, um eine Ventilwirkung der dortigen Membran zu erreichen, die in einem runden Bereich elastisch ausgeformt ist und insoweit einer elektrostatisch von Elektrodenflächen erzeugten Kraft nachgiebig folgen kann.The preamble of claim 1 is derived from DE 39 26 647 A1, in which a membrane activation device is described, which has a deflection according to FIG. 2 there and works with electrodes in order to achieve a valve effect of the membrane there, which in one round area is formed elastically and can in this respect follow a force generated electrostatically by electrode surfaces.
Die Problemstellung sieht die Erfindung in der Schaffung einer betriebssicher arbeitenden Membran-Aktivierungseinrichtung (z. B. als Ventil oder Schalter), die mit reduzierter elektrostatischer Antriebsspannung auskommt und gleichwohl verbesserte Krafterzeugung ermöglicht.The invention sees the problem in the creation of a reliable membrane activation device (e.g. as valve or switch) with reduced electrostatic Drive voltage gets along and at the same time improved Force generation enabled.
Gelöst wird dieses Problem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, also den Merkmalen des Oberbegriffs und des Kennzeichens gemeinsam. Die zwei gegenläufig ausgebauchten Förder- oder Schaltbereiche der Gesamtmembran passen in ihrer Form zu den zwei elektrisch ansteuerbaren Elektrodenflächen und aufgrund der gegenläufig vorgeformten Ausbauchung der Membranbereiche braucht eine elektrostatische Kraft nur auf denjenigen Schalt- oder Förderbereich ausgeübt zu werden, der angezogen werden soll, was durch die elektrische Ansteuerung der zugehörigen Elektrodenfläche erreicht wird. Innere mechanische Spannungen sorgen dafür, daß die ausgebauchten Schalt- oder Förderbereiche gegenläufig oder gegensinnig ausgebaucht bleiben, sie bleiben also auch im Betrieb "vorgeformt".This problem is solved according to the features of claim 1, thus the characteristics of the generic term and the characteristic together. The two oppositely bulged funding or Switching areas of the entire diaphragm match the shape of the two electrically controllable electrode surfaces and due to the counter-shaped bulging of the membrane areas needs an electrostatic force only on those switching or Support area to be exercised, which should be attracted to what through the electrical control of the associated Electrode area is reached. Internal mechanical stresses ensure that the bulged switching or conveying areas bulging in opposite or opposite directions, they remain thus also "preformed" in operation.
Die Anordnung arbeitet mit mediengetrenntem elektrostatischem Antrieb unter Verwendung von gekrümmten Antriebselektroden. Ein Kanal kann zum Druckausgleich zwei benachbarte Mulden koppeln, um antriebsseitig eine Anziehungskraft auf die eine Membran über die Kanalkopplung in eine abstoßende Kraft für die andere Membran umzusetzen.The arrangement works with media-separated electrostatic Drive using curved drive electrodes. A The duct can couple two adjacent troughs to equalize the pressure, to apply an attractive force to the one membrane the channel coupling into one repulsive force for the other Implement membrane.
Die umschnappende Membran (Anspruch 9) hat in ihren gegensinnigen Kalotten als Ausbauchungen oder Auslenkungen ringförmige Spannungslinien, die durch das Herstellverfahren über den "SOI" und das vollständige Herunterätzen seines dicken Substrats erreicht werden. The snapping membrane (claim 9) has in their opposite domes as bulges or deflections annular tension lines caused by the manufacturing process about the "SOI" and completely etching his thick Substrate can be achieved.
Beispiele sollen die Erfindung erläutern.Examples are intended to illustrate the invention.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Beispiel eines Ventils. Es besteht aus zwei gebondeten Siliziumchips 9, 10, die mit Methoden der Halbleiterfertigung und Mikromechanik hergestellt werden können. Der obere Chip 9 bildet eine geätzte Einlaßöffnung 8 mit einem Ventilsitz 9a aus. Der untere Chip 10 enthält zwei elektrostatisch angetriebene - vorzugsweise runde - Membranbereiche 20a, 20b und die Auslaßöffnung 7. Fig. 1 shows a section through an example of a valve. It consists of two bonded silicon chips 9 , 10 , which can be manufactured using methods of semiconductor manufacturing and micromechanics. The upper chip 9 forms an etched inlet opening 8 with a valve seat 9 a. The lower chip 10 contains two electrostatically driven - preferably round - membrane areas 20 a, 20 b and the outlet opening 7 .
Fig. 1a ist ein Beispiel für die Herstellung der Membranbereiche 20a, 20b einer Gesamtmembran 20 aus einem SOI-Wafer 61-63. FIG. 1 a is an example for the production of the membrane areas 20 a, 20 b of an entire membrane 20 from an SOI wafer 61-63 .
Fig. 2 ist ein anderes Anwendungsbeispiel der Gesamtmembran 20 mit ihren Membranbereichen 20a, 20b gemäß Fig. 1a in einem 3/2-Wege-Ventil, mit einem Aufbau ähnlich der Fig. 1, jedoch einem Einlaß 8 und zwei alternativen Auslässen 7a, 7b. Fig. 2 is another application example of the overall membrane 20 with its diaphragm portions 20 a, 20 b of Fig. 1a in a 3/2-way valve with a structure similar to FIG. 1, but an inlet 8 and two alternative outlets 7 a, 7 b.
Fig. 3 ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit für die Gesamtmembran 20 mit ausgebauchten Bereichen 20a, 20b in einem elektrischen Schalter. Fig. 3 is another application for the entire membrane 20 with bulged areas 20 a, 20 b in an electrical switch.
Fig. 4 zeigt eine Mikropumpe mit Rückschlagventil, die auch die Membran gemäß obigen Figuren verwendet. Fig. 4 shows a micropump with check valve which also uses the membrane according to the above figures.
Die Membranbereiche 20a, 20b haben eine intrinische Druckspannung, so daß sie nach oben oder nach unten aus der Ebene der Gesamtmembran 20 herausschnappen. Die "Membranen" haben stationär immer entgegengesetzte Stellung.The membrane sections 20 a, 20 b are such that they snap out an intrinsic compressive stress, up or down out of the plane of the total membrane 20th The "membranes" always have the opposite position when stationary.
Unter jeder Membran ist ein Hohlraum 11, 12, auf dessen Boden eine Antriebselektrode 21, 22 plaziert ist. Die beiden Hohlräume sind durch einen Kanal 30 verbunden. Die Hohlräume werden mit Gas oder mit einer Flüssigkeit gefüllt, so daß die Bewegung der Membranen 20a, 20b gekoppelt wird, d. h. gegensinnig erfolgt.Under each membrane is a cavity 11 , 12 , on the bottom of which a drive electrode 21 , 22 is placed. The two cavities are connected by a channel 30 . The cavities are filled with gas or with a liquid, so that the movement of the membranes 20 a, 20 b is coupled, ie takes place in opposite directions.
Die Membran liegt auf Massepotential. Bei elektrischer Ansteuerung der linken Elektrode 21 schnappt die linke Membran 20b nach unten. Aufgrund der fluidischen Kopplung über den Kanal 30 schnappt die rechte Membran 20a nach oben und verschließt die Einlaßöffnung 8. Zum Öffnen des Ventils wird die rechte Elektrode 22 angesteuert. Die rechte Membran 20a schnappt nach unten, und dabei über die Kanal-Kopplung 30 die linke Membran 20b nach oben.The membrane is at ground potential. When the left electrode 21 is electrically actuated, the left membrane 20 b snaps down. Due to the fluidic coupling via the channel 30 , the right membrane 20 a snaps up and closes the inlet opening 8 . The right electrode 22 is activated to open the valve. The right membrane 20 a snaps down, and the left membrane 20 b snaps up over the channel coupling 30 .
Der äußere Druck wirkt immer auf beide Membranen. Da sich die Membranen 20a, 20b gegensinnig bewegen, haben Änderungen des äußeren Druckes keinen Einfluß auf die Ventilfunktion. Das Ventil ist druckausgeglichen.The external pressure always acts on both membranes. Since the membranes 20 a, 20 b move in opposite directions, changes in the external pressure have no influence on the valve function. The valve is pressure balanced.
Die beiden gegensinnig bewegten gekoppelten Membranen erfüllen also zwei Funktionen: Zum einen kann damit eine Membran elektrostatisch abgestoßen werden. Dies ist mit einem einzelnen Kondensator nicht möglich, da nur anziehende Kräfte produziert werden können. Zum zweiten ist das System der gekoppelten Membranen druckausgeglichen.Meet the two oppositely moving coupled membranes So two functions: Firstly, it can be used as a membrane be repelled electrostatically. This is with a single Capacitor not possible because only attractive forces are produced can be. Second, the system is the coupled one Pressure-balanced membranes.
Die Druckkompensation ist vollständig, wenn die Hohlräume unter den Membranen mit einer Flüssigkeit gefüllt sind. Bei einer Füllung mit Gas ist dafür zu sorgen, daß das eingeschlossene Gasvolumen möglichst gering ist. Dadurch führt die Bewegung der hochgeschnappten Membran nach unten zu einem großen Druckanstieg in dem Hohlraum, der die zweite Membran über die Kanalkopplung 30 nach oben bewegt. Die Kopplung und der Druckausgleich ist allerdings nicht unbegrenzt. Ein sehr großer äußerer Druck kann beide Membranen 20a, 20b nach unten zwingen.Pressure compensation is complete when the voids under the membranes are filled with a liquid. When filling with gas, ensure that the enclosed gas volume is as small as possible. As a result, the movement of the snapped-up membrane leads to a large pressure increase in the cavity, which moves the second membrane upward via the channel coupling 30 . The coupling and pressure equalization is not unlimited, however. A very large external pressure can force both membranes 20 a, 20 b down.
Um das Volumen 11, 12 unter den Elektroden 21, 22 möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, den Hohlraumboden nicht eben, sondern gekrümmt, vorzugsweise in der Form der nach unten geschnappten Membran 20a, 20b auszubilden. Damit ergeben sich gekrümmte Antriebselektroden, die für den elektrostatischen Antrieb von großem Vorteil sind. Da in diesem Fall am Membranrand nur ein kleiner Abstand besteht, ergeben sich wesentlich höhere Kräfte als bei einer ebenen Elektrode. In order to keep the volume 11 , 12 under the electrodes 21 , 22 as small as possible, it is advantageous not to design the cavity floor in a flat, but curved, preferably in the form of the membrane 20 a, 20 b snapped down. This results in curved drive electrodes, which are of great advantage for electrostatic drive. Since there is only a small distance at the edge of the membrane in this case, there are considerably higher forces than with a flat electrode.
Simulationsrechnungen haben gezeigt, daß die Kraft bei der gekrümmten Elektrodenform um einen Faktor zehn höher ist. Bei vorgegebener Kraft kann die Spannung damit etwa um einen Faktor drei reduziert werden. Dies erhöht die Betriebssicherheit des Ventils und erweitert dessen Anwendungsbereich.Simulation calculations have shown that the force at curved electrode shape is a factor of ten higher. At Given the given force, the tension can thus be reduced by a factor three are reduced. This increases the operational safety of the Valve and extends its scope.
Die Membranen 20a, 20b können aus Silizium bestehen, die Druckspannung kann durch eine dünne Siliziumdioxidschicht 60 erzeugt werden, die auf einen kommerziell erhältlichen SOI-Wafer gemäß Fig. 1a auf dessen Si-Schicht 61, die auf einer dickeren SiO2-Schicht 62 und dem sehr viel stärkeren Substrat 63 liegt, zusätzlich aufgebracht wird. Die Gesamtmembran 20 kann dann hergestellt werden, indem der um die eine dünne SiO2-Schicht ergänzte SOI-Wafer (silicon on insulator) auf dem unteren Chip 10 mit seiner Substratseite 63 nach oben aufgebondet wird und sein Substrat 63 bis auf die Silizium-Membranschicht (SiO2) 60, 61 mechanisch oder chemisch wieder entfernt wird.The membranes 20 a, 20 b can consist of silicon, the compressive stress can be generated by a thin silicon dioxide layer 60 , which is applied to a commercially available SOI wafer according to FIG. 1 a on its Si layer 61 , which is on a thicker SiO 2 layer 62 and the much stronger substrate 63 is additionally applied. The entire membrane 20 can then be produced by the SOI wafer (silicon on insulator) supplemented by the thin SiO 2 layer on the lower chip 10 being bonded with its substrate side 63 upwards and its substrate 63 except for the silicon membrane layer (SiO 2 ) 60 , 61 is removed mechanically or chemically.
Oberflächen mit beliebig gekrümmter Topographie können in der Siliziumtechnik mit Hilfe der Grauton-Lithographie hergestellt werden. Dabei wird mit Hilfe einer speziell entworfenen gerasterten Photomaske ein Lichtintensitätsprofil erzeugt, das zur Ausbildung der gewünschten Oberflächenkontur im Photolack führt. Bei der Lithographie wird ein verkleinernder Pojektionsbelichter benutzt, der die Pixel der Grautonmaske nicht auflöst. Damit entstehen glatte aber gekrümmte Konturen. Das Lackprofil kann mit einem Trockenätzverfahren in das Substrat, z. B. Silizium oder Glas übertragen werden.Surfaces with arbitrarily curved topography can be found in the Silicon technology produced with the help of gray-tone lithography become. With the help of a specially designed rastered photomask creates a light intensity profile that to form the desired surface contour in the photoresist leads. In the case of lithography, a scaling down Projector uses the pixels of the grayscale mask does not dissolve. This creates smooth but curved contours. The paint profile can be dry etched into the Substrate, e.g. B. silicon or glass.
Fig. 2 ist ein 3/2-Wege-Ventil, mit einem Einlaß 8 und zwei - alternativen - Auslässen 7a, 7b, unter Anwendung des zuvor erläuterten Prinzips der Fig. 1 und der Gesamtmembran 20 von Fig. 1. Fig. 2 is a 3/2-way valve, with an inlet 8 and two - alternative - outlets 7 a, 7 b, using the previously explained principle of Fig. 1 and the overall membrane 20 of Fig. 1st
Fig. 3 veranschaulicht einen Schalter mit Kontaktflächen 28a, 28b, die an den umschnappenden Membranen 20a, 20b angeordnet sind und mit einem ebenfalls leitenden Sitz 9a, 9b am Chip 10 einen elektrischen Kontakt bilden, der abhängig von der Stellung des Membranpaares 20a, 20b geöffnet oder geschlossen ist. Fig. 3 illustrates a switch with contact surfaces 28 a, 28 b, which are arranged on the snap-in membranes 20 a, 20 b and form an electrical contact with a likewise conductive seat 9 a, 9 b on the chip 10 , which depends on the position of the membrane pair 20 a, 20 b is open or closed.
Mit zwei Kontaktflächen 28a, 28b kann aufgrund der Gegensinnigkeit des Membranpaares ein Umschalter realisiert werden. Auch hier bildet der Kanal 30 die Kopplung zwischen den Membranen und verbessert deren Gegenläufigkeit.With two contact surfaces 28 a, 28 b, a changeover switch can be implemented due to the opposite sense of the membrane pair. Here too, the channel 30 forms the coupling between the membranes and improves their counter-rotation.
Fig. 4 ist eine Mikropumpe unter Anwendung des zuvor erläuterten Konzepts. Eine elektrostatische Anziehungskraft f1 an der Membran 20a wird über den Kanal 30 in eine abstoßende Kraft f1' an der Membran 20b umgesetzt. Im umgekehrten - nicht gezeigten - Zustand entsteht eine anziehende Kraft f2 (-f1'), mit der über die Kopplung 30 des abgeschlossenen Raumes 11, 12, 30 die "abstoßende" elektrostatische Kraft f2' (-f1) an der anderen Membran 20a erzeugt wird. Fig. 4 is a micropump using the previously explained concept. An electrostatic attraction force f 1 on the membrane 20 a is converted via the channel 30 into a repulsive force f 1 ′ on the membrane 20 b. In the reverse state (not shown), an attractive force f 2 (-f 1 ') arises, with which the "repulsive" electrostatic force f 2 ' (-f 1 ) on the coupling 30 of the closed space 11 , 12 , 30 another membrane 20 a is generated.
Eine mögliche technologische Realisierung ist eine mikromechanische Dosiereinheit unter Verwendung der beschriebenen Ventiltyps. Eine Anzahl von bistabilen Siliziumventilen, die gemeinsam auf einem Siliziumchip realisiert sind, schalten unabhängig verschieden lange Drosselstrecken zu. Diese sind als Gräben in einem zweiten, darüberliegenden Siliziumchip geätzt und mit einem Glas-Chip abgedeckt. Der Eingangs- und Ausgangsdruck wird mit zwei Siliziumdrucksensoren gemessen.A possible technological implementation is one micromechanical dosing unit using the described valve type. A number of bistable Silicon valves working together on a silicon chip are realized, switch independently for different lengths of time Throttle sections too. These are ditches in a second, etched silicon chip above and with a glass chip covered. The inlet and outlet pressure is two Silicon pressure sensors measured.
Claims (9)
- a) in der zusammenhängenden, weitgehend flexiblen Gesamtmembran (20) paarweise gegensinnig ausgebauchte Schalt- oder Förderbereiche (20a, 20b) durch eine innere mechanische Spannung vorgeformt sind und die Gesamtmembran (20) außerhalb (20c, 20d) der Schalt- oder Förderbereiche (20a, 20b) an dem Substrat (10) befestigt ist;
- b) paarweise Elektrodenflächen (21, 22) den Schalt- oder Förderbereichen (20a, 20b) unbeweglich im oder am Substrat (10) in Muldenbereichen (11, 12) angebracht gegenüberstehen, entsprechend den ausgebauchten Schalt- oder Förderbereichen gekrümmt und einzeln elektrisch ansteuerbar sind.
- a) in the coherent, largely flexible overall membrane ( 20 ), pairs of bulging switching or conveying areas ( 20 a, 20 b) are preformed by an internal mechanical tension and the overall membrane ( 20 ) outside ( 20 c, 20 d) of the switching or conveyor areas ( 20 a, 20 b) is attached to the substrate ( 10 );
- b) pairs of electrode surfaces ( 21 , 22 ) face the switching or conveying areas ( 20 a, 20 b) immovably in or on the substrate ( 10 ) in trough areas ( 11 , 12 ), curved according to the bulged switching or conveying areas and individually electrical are controllable.
- a) Vorsehen eines Silizium-Auf-Isolator-Wafers (SOI-Wafer; 61-63) mit einer ersten Isolierschicht (62) auf einem Substrat (63) und Aufbringen einer weiteren dünnen Isolierschicht (60), insbesondere aus SiO2, auf den Silizium-Auf-Isolator-Wafer (61-63);
- b) Aufbonden des Wafers (61-63) mit der weiteren dünnen Isolierschicht (60) nach unten auf einem unteren Chip (10), in dem über einen Kanal (30) paarweise verbundene Muldenbereiche (11, 12) vorgesehen sind;
- c) Entfernen des im wesentlichen gesamten Substrates (63) des Wafers (60-63) von oben;
- d) Abtragen der ersten Isolierschicht (62) des Wafers (60-63) von oben;
- e) wobei die verbleibende weitere Isolierschicht (60) über den Muldenbereichen (11, 12) eine gegensinnig ausbauchende Auslenkung vorgeformter Bereiche (20a, 20b) der die Gesamtmembran bildenden verbliebenen Schichten (60, 61) bewirkt.
- a) providing a silicon-on-insulator wafer (SOI wafer; 61-63) having a first insulating layer (62) on a substrate (63) and applying a further thin insulating layer (60), in particular of SiO 2, on the Silicon-on-insulator wafers ( 61-63 );
- b) bonding the wafer ( 61-63 ) with the further thin insulating layer ( 60 ) down onto a lower chip ( 10 ) in which trough regions ( 11 , 12 ) are provided, which are connected in pairs via a channel ( 30 );
- c) removing substantially all of the substrate ( 63 ) of the wafer ( 60-63 ) from above;
- d) removing the first insulating layer ( 62 ) of the wafer ( 60-63 ) from above;
- e) the remaining further insulating layer ( 60 ) over the trough regions ( 11 , 12 ) causing an opposite bulging deflection of preformed regions ( 20 a, 20 b) of the remaining layers ( 60 , 61 ) forming the overall membrane.
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