DE4138491A1

DE4138491A1 - Mikromechanisches ventil fuer mikromechanische dosiereinrichtungen

Info

Publication number: DE4138491A1
Application number: DE4138491A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Joswig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-11-23
Filing date: 1991-11-23
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2011-11-24
Also published as: DE59204154D1; EP0613535A1; WO1993010385A1; DE4138491C2; DK0613535T3; JPH07501124A; EP0613535B1; US5538221A; ES2080526T3

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Ventil für mikromechanische Dosiereinrichtungen, im wesentlichen bestehend aus mindestens drei übereinander angeordneten und unlösbar miteinander verbundenen Schichten, die mit einem Betätigungselement zum Ansteuern des Ventils gekoppelt sind, wobei die Schichten flächige Strukturierungen zur Bildung von Ein- und Auslaßkanälen und von Ein- und Auslaß kammern aufweisen, die mittlere Schicht als Trennschicht zwischen Ein- und Auslaß und die äußeren Schichten als Grund- bzw. Deckschicht angeordnet sind.

Solche mikromechanischen Ventile sind insbesondere für den Einsatz in der Medizintechnik, zum Beispiel zur Medikamen tendosierung oder in der Laboranalysetechnik, aber auch in der Kfz-Technik, der Raumfahrttechnik oder der Drucktechnik vorgesehen.

Aus der Literatur sind mikromechanische Ventile in Mehr schichtenstruktur bekannt, die mittels Fertigungstechnolo gien, wie sie in der Halbleitertechnik angewendet werden, herstellbar sind. Diese Ventile besitzen zwei Druckmittel anschlüsse und einen dazwischen geschalteten Ventilsitz, dem ein Schließglied zugeordnet ist. Dabei ist das Schließ glied durch elektrische oder thermische Betätigungsmittel auslenkbar und entgegen der elektrischen oder thermischen Betätigungsmittel mittels federnder Membran, die mit dem Schließglied fest verbunden ist, bewegbar. Die federnde Membran ist in eine der Schichten integriert und grenzt an einen mit Druckmittel beaufschlagten Raum. Für den Druck kraftausgleich ist eine der druckbeaufschlagten Membran entgegenwirkende Druckausgleichsfläche angeordnet.

Mit dieser Lösung wird jedoch keine vollständige Druckkom pensation sondern nur ein teilweiser Druckausgleich er reicht, da die Kompensationsfläche deutlich kleiner als die zu kompensierende Fläche ist. Nachteilig ist auch das schlechte Dichtverhalten der Ventile aufgrund des großen Umfanges des Ventilspaltes, da das Schließglied die Einlaß kammer über ihre gesamte Breite abdichten muß. Außerdem wird bei Ventilbetätigung ein instabiler Zustand durchlau fen, da der Unterdruck unter der Kompensationsfläche im Moment des Öffnens schlagartig abgebaut wird. Die dabei entstehenden dynamischen Lasten wirken sich an den Verbin dungsstellen von Ventilsitz und Kompensationsfläche aus, was die Lebenserwartung der Ventile negativ beeinflußt. Die Herstellung solcher Ventile erfordert eine aufwendige und komplizierte Strukturierungs- und Montagetechnologie, wobei nur eine enge Fehlertolerierung zulässig ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein mikromechanisches Ventil für mikromechanische Dosiereinrichtungen zu ent wickeln, das mit hoher Zuverlässigkeit und stabiler Ar beitsweise Medien in kleinster Dosierung über einen langen Zeitraum variabel zu- und abschaltet, wobei das Ventil konstruktiv so aufgebaut ist, daß es durch gleichmäßige Ansteuerung mit geringem Energiebedarf den Einsatz von kleinen, effektiven Antriebselementen ermöglicht, geringen Platzbedarf benötigt und mittels einfacher Montagetechnolo gien herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Trennschicht als dünne, elastische Ventilmembran mit beid seitig eingearbeiteten kanal- und kammerbildenden Struktu ren für Ein- und Auslaß ausgebildet ist. Sie weist einen mittigen Durchgang auf und ist in ihrem mittleren Bereich mit der Deckschicht unlösbar und mit der Grundschicht lösbar verbunden, derart, daß der Durchfluß für das Medium über Einlaßkanal, Einlaßkammer, Durchgang und im geöffneten Zustand Auslaßkammer, Auslaßkanal gewährleistet ist. Das Betätigungselement ist dabei an der als dünne Antriebsmem bran ausgebildeten Deckschicht angeordnet.

Nach der weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung sind in beide Seiten der Trennschicht sämtliche kanal- und kammerbildenden Strukturen für Ein- und Auslaß so eingear beitet, daß ihre Flächenschwerpunkte übereinander liegen und die verbleibende Restschicht die Ventilmembran bildet. Dabei besitzt die Einlaßkammer im wesentlichen die gleiche Form und Größe wie die Auslaßkammer.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Einlaßkammer zwischen Antriebsmembran und Ventilmembran und die Auslaßkammer zwischen Ventilmembran und Grundschicht angeordnet. Ein- und Auslaßkanal liegen sich versetzt gegenüber.

Desweiteren ist im mittleren Bereich der Ventilmembran rings um den als Durchgangsloch ausgebildeten Durchgang mindestens ein, in die Einlaßkammer bis zur Antriebsmembran ragendes Verbindungselement angeordnet und unlösbar mit der Antiebsmembran verbunden. Auslaßseitig ist im mittleren Bereich der Ventilmembran rings um das Durchgangsloch ein Ventilwall angeordnet, der im nichtbetätigten Zustand an der Innenfläche der Grundschicht anliegt.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Aufla gefläche des Ventilwalles und der Innenfläche der Grund schicht eine dünne Schicht aus nichtbondbarem Material, wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrit, angeordnet.

Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung sind Grund schicht, Ventilmembran und Antriebsmembran vorzugsweise mittels anodischem Bonden unlösbar miteinander verbunden. Dabei bestehen die Grundschicht und die Antriebsmembran vorzugsweise aus einem thermisch angepaßten Glasmaterial und die Ventilmembran aus einem halbleitenden Siliziumsub strat.

Nach einer anderen Fortbildung der Erfindung besteht die Deckschicht aus einem halbleitenden Siliziumsubstrat, in deren äußere Fläche eine Aussparung für das Betätigungsele ment eingearbeitet ist, die restliche Schicht die Antriebs membran bildet und Ein- und Auslaßkammer in Form und Größe unterschiedlich gestaltet sind. Deck- und Trennschicht sind dabei mittels Waferbonden und die Trennschicht mit der Grundschicht mittels anodischem Bonden unlösbar miteinander verbunden.

Als Betätigungselemente sind piezoelektrische Membrananre gungselemente, vorzugsweise in Form einer auf die Antriebs membran aufgebrachten Piezoscheibe, aber auch thermoelek trische oder elektrostatische Ansteuerungsvarianten vorge sehen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnun gen zeigen in

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Ventils in schematischer Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils in schematischer Schnittdarstellung,

Fig. 3 eine Ansicht auf die Ventilmembran einlaßseitig und

Fig. 4 eine Ansicht auf die Ventilmembran auslaßseitig.

Das Ausführungsbeispiel beschreibt Ventilvarianten, die speziell für den Einsatz in der Medizintechnik, im Bereich der Mikrodosierung von Medikamenten vorgesehen sind. Die Wirkstoffdosiersysteme sollen dabei ex- oder intern, fest programmiert, gesteuert oder geregelt den Wirkstoff in der für die Therapie erforderlichen Menge und Qualität sowie dem vorgegebenen Zeitplan applizieren. Im Vordergrund stehen sowohl die möglichst gute Anpassung an physiologi sche Gegebenheiten der Patienten, zum Beispiel bei der Insulintherapie als auch eine optimale Prozeßführung, wie sie vor allem bei der Schmerztherapie notwendig ist.

Daraus ergeben sich hohe Anforderungen, die insbesondere auch die einzusetzenden mikromechanischen Ventile betreffen und vor allem in einer hohen Systemzuverlässigkeit, einer weiteren Miniaturisierung der Elemente, im optimalen Mate rialeinsatz und geringem Energieverbrauch liegen.

Nach Fig. 1 besteht das erfindungsgemäße mikromechanische Ventil aus drei übereinander angeordneten und mittels anodischem Bonden unlösbar miteinander verbundenen Schich ten. Die Deckschicht, die als dünne Antriebsmembran 3 ausgebildet ist und die Grundschicht 1, sind beide aus einem thermisch angepaßten Glasmaterial hergestellt. An der Außenfläche der Antriebsmembran 3 ist ein Betätigungsele ment 4 in Form eines piezoelektrischen Elementes aufge klebt, das die Ansteuerung des Ventils übernimmt.

Beide Schichten 1 und 3 sind fest mit der als dünne Ventil membran 2 ausgebildeten Trennschicht verbunden. Sie ist aus einem Siliziumsubstrat gefertigt, wie es aus der Halblei tertechnik bekannt ist. In beide Seiten der Trennschicht sind sämtliche kanal- und kammerbildenden Strukturen einge arbeitet, derart, daß - entsprechend der Darstellung nach Fig. 1 - über die gesamte wirksame Breite des piezoeletri schen Elementes 4 unterhalb der Antriebsmembran 3 eine Einlaßkammer 5 und über der Grundschicht 1 eine Auslaßkam mer 6 angeordnet sind. Die Flächenschwerpunkte beider Kammern 5 und 6 liegen übereinander. Die im aktiven Bereich der Trennschicht übrigbleibende Schichtdicke wirkt als Ventilmembran 2. Der Einlaßkanal 7 ist seitlich zwischen Antriebsmembran 3 und Ventilmembran 2 und der Auslaßkanal 8 versetzt gegenüberliegend zwischen Ventilmembran 2 und Grundschicht 1 angeordnet. Der seitliche Ein- und Auslaß sichert damit den Einsatz des Ventils innerhalb komplexer Systeme.

Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, weist die Ventilmembran 2 ein mittiges Durchgangsloch 9 auf und einlaßseitig rings um das Durchgangsloch 9 mehrere, in Abstand zueinander an geordnete, zylinderförmige Verbindungselemente 10, die durch die Einlaßkammer 5 ragen und mit der Antriebsmem bran 3 fest verbunden sind. Auslaßseitig ist rings um das Durchgangsloch 9 ein Ventilwall 11 angeordnet, der im geschlossenen Zustand an der Innenfläche der Grundschicht 1 anliegt. Um zu verhindern, daß während des Bondprozesses der Ventilwall 11 unlösbar mit der Grundschicht 1 verbunden wird, ist auf die an der Grundschicht 1 anliegenden Fläche des Ventilwall 11, eine dünne Schicht 12 aus Siliziumoxid aufgebracht. Damit wird außerdem erreicht, daß das Ventil im geschlossenen Zustand sicher abdichtet.

Die Funktionsweise des Ventils ist folgende: Im Ruhezustand liegt der Ventilwall 11 in der Auslaßkammer 6 auf der Grundschicht 1 auf, das Ventil ist geschlossen. Der Druck des einfließenden Mediums wirkt gegen beide ungefähr gleichgroßen Druckflächen von Antriebs- und Ventilmembran 3, 2, die in der Mitte fest miteinander verbunden sind. Damit erfolgt der Druckausgleich des Eingangsdruckes, der unabhängig ist von der Lage des Ventilwalls 11. Mit An steuerung durch das piezoelektrische Elememt 4 werden das piezoelektrische Element 4, Antriebsmembran 3 und die Ventilmembran 2 gekrümmt oder gebogen, der Ventilwall 11 wird von der Grundschicht 1 abgehoben und der Durchfluß von der Einlaßkammer 5 in Auslaßkammer 6 ist frei. Der Öff nungszustand des Ventils ist somit nur noch von der An triebsspannung des piezoelektrischen Elementes 4 abhängig. Die Antriebsleistung kann auf das für die Auslenkung der Ventilmembran 2 im geöffneten Zustand notwendige Maß be grenzt werden, was einfache und kleine Konstruktionen für Betätigunselemente 4 zuläßt.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungs gemäßen mikromechanischen Ventils dargestellt. Hiernach ist eine variable Gestaltung des Flächenverhältnisses von An triebs- und Ventilmembran 3, 2 dadurch möglich, daß die Deckschicht aus einer Siliziumsubstratschicht besteht, aus deren äußerer Fläche die wirksame, dünne Antriebsmembran fläche 13 herausgearbeitet ist, wobei die Aussparung gleichzeitig der Aufnahme der piezoelektrischen Scheibe 4 dient. Die unlösbare Verbindung der drei Schichten ge schieht derart, daß die Deckschicht mittels Waferbonden mit der Trennschicht und die Trennschicht mit der Grundschicht durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden. Ein und Auslaßkammer 5, 6 können in ihren Abmessungen unter schiedlich groß sein. Damit wird ebenfalls ein vollständi ger Ausgleich des Einflusses des Eingangsdruckes möglich. Außerdem können im Rahmen der konstruktiven Möglichkeiten beliebige Abhängigkeiten der Lage des Ventilwalles 11 vom Eingangsdruck erzielt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Ventil wird verhindert, daß im Moment des Öffnens des Ventils ein instabiler Zustand durch plötzlichen Abbau des Unterdruckes in der Auslaßkammer 6 entsteht, da das Medium erst über das Durchgangsloch 9 die Auslaßkammer 6 erreicht. Die Herstel lung des Ventils ist mit normalem montagetechnischen Auf wand möglich, die einzusetzenden Betätigungselemente 4 können je nach Anwendungsfall und benötigter Parameter ausgewählt werden. Es sind sowohl piezoelektrische, als auch thermoelektrische oder elektrostatische Betätigungs elemente 4 in einfachster Form und kleinster Ausführung einsetzbar.

Bezugszeichenliste

1 Grundschicht
2 Ventilmembran
3 Antriebsmembran
4 Betätigungselement
5 Einlaßkammer
6 Auslaßkammer
7 Einlaßkanal
8 Auslaßkanal
9 Durchgangsloch
10 Verbindungselemente
11 Ventilwall
12 Schicht
13 Antriebsmembranfläche

Claims

1. Mikromechanisches Ventil für mikromechanische Dosier einrichtungen, im wesentlichen bestehend aus minde stens drei übereinander angeordneten und unlösbar miteinander verbundenen Schichten, die mit einem Betätigungselement gekoppelt sind, wobei die Schichten flächige Strukturierungen zur Bildung von Ein- und Auslaßkanälen bzw. Ein- und Auslaßkammern aufweisen, die mittlere Schicht als Trennschicht zwischen Ein- und Auslaß und die äußeren Schichten als eine Grund- und eine Deckschicht angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht als dünne, elastische Ventilmembran (2) mit beidseitig eingearbeiteten kanal- und kammerbildenden Strukturen für Ein- und Auslaß ausgebildet ist, einen mittigen Durchgang (9) aufweist und in ihrem mittleren Bereich mit der als dünne Antriebsmembran (3, 13) ausgebilde ten Deckschicht unlösbar und mit der Grundschicht (1) lösbar verbunden ist, derart, daß der Durchfluß für das Medium über Einlaßkanal (7), Einlaßkammer (5), Durchgang (9) und im geöffneten Zustand Auslaßkammer (6), Auslaßkanal (8) gewährleistet ist; und daß das Betätigungselement (4) an der Außenfläche der dünnen Antriebsmembran (3, 13) angeordnet ist.

2. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Ventilmembran (2) dadurch gebildet wird, daß in beide Seiten der Trennschicht sämtliche kanal- und kammerbildenden Strukturen für Ein- und Auslaß so eingearbeitet sind, daß ihre Flächenschwerpunkte übereinander liegen.

3. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und Auslaßkammer (5, 6) im wesentlichen gleiche Form und Größe aufweisen.

4. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkammer (5) zwischen Antriebsmembran (3) und Ventilmembran (2) und die Auslaßkammer (6) zwischen Ventilmembran (2) und Grundschicht (1) angeordnet ist und daß sich der Einlaßkanal (7) und der Auslaß kanal (8) seitlich versetzt gegenüberliegen.

5. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Bereich der Ventilmembran (2) rings um den als Durchgangsloch (9) ausgebildeten Durchgang minde stens ein, in die Einlaßkammer (5) bis zur Antriebs membran (3) ragendes, in Abstand zueinander angeord netes Verbindungselement (10) unlösbar mit der An triebsmembran (3) verbunden ist.

6. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Bereich der Ventilmembran (2) rings um das Durchgangsloch (9) auslaßseitig ein Ventilwall (11) angeordnet ist, der im nichtbetätigten Zustand an der Innenfläche der Grundschicht (1) anliegt.

7. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Auflagefläche des Ventilwalls (11) und der Innenfläche der Grundschicht (1) eine dünne Schicht (12) aus nichtbondbarem Material, wie Silizium oxid oder Siliziumnitrit, angeordnet ist.

8. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Grundschicht (1), Ventilmembran (2) und Antriebsmem bran (3) vorzugsweise mittels anodischem Bonden unlös bar miteinander verbunden sind.

9. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Grundschicht (1) und Antriebsmembran (3) vorzugsweise aus einem thermisch angepaßten Glasmaterial und .die Ventilmembran (2) aus einem halbleitenden Siliziumsub strat bestehen.

10. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus einem halbleitendem Siliziumsubstrat besteht, in deren äußere Fläche eine Aussparung für das Betätigungselement (4) eingearbeitet ist, die restliche Schicht die Antriebsmembranfläche (13) bildet und Ein- und Auslaßkammer (5, 6) in Form und Größe unterschiedlich ausgebildet sind.

11. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Deck- und Trennschicht mittels Waferbonden und die Trennschicht mit der Grundschicht durch anodisches Bonden unlösbar verbunden sind.

12. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Betätigungselement (4) ein piezoelektrisches Membran anregungselement, vorzugsweise in Form einer Piezo scheibe durch Aufkleben auf die Außenfläche der An triebsmembran (3), angeordnet ist.

13. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Ventilmembran (2) thermoelektrische oder elektrostatische Membrananregungselemente an der Antriebsmembran (3) angeordnet sind.