DE4138491C2 - Mikromechanisches Ventil für mikromechanische Dosiereinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Ventil für mikro­ mechanische Dosiereinrichtungen, im wesentlichen bestehend aus mindestens drei übereinander angeordneten und unlösbar mitein­ ander verbundenen Schichten, die mit einem Betätigungselement gekoppelt sind, wobei die Schichten flächige Strukturierungen zur Bildung von Ein- und Auslaßkanälen beziehungsweise Ein- und Auslaßkammern aufweisen, die mittlere Schicht als Trenn­ schicht zwischen Ein- und Auslaß und die äußeren Schichten als Grund- und Deckschicht angeordnet sind und die Trennschicht als dünne elastische Ventilmembran mit einem mittigen Durch­ gang ausgebildet ist, und wobei das Betätigungselement an der Außenfläche der Deckschicht direkt über der Einlaßkammer und zentrisch zur Ventilmembran angeordnet ist.

Solche mikromechanischen Ventile sind insbesondere für den Einsatz in der Medizintechnik, zum Beispiel zur Medikamenten­ dosierung oder in der Laboranalysetechnik, aber auch in der Kfz-Technik, der Raumfahrttechnik oder der Drucktechnik vor­ gesehen

Aus der Literatur sind mikromechanische Ventile in Mehrschich­ tenstruktur bekannt, die mittels Fertigungstechnologien, wie sie in der Halbleitertechnik angewendet werden, herstellbar sind. Diese Ventile besitzen zwei Druckmittelanschlüsse und einen dazwischen geschalteten Ventilsitz, dem ein Schließglied zugeordnet ist. Dabei ist das Schließglied durch elektrische oder thermische Betätigungsmittel auslenkbar und entgegen der elektrischen oder thermischen Betätigungsmittel mittels fe­ dernder Membran, die mit dem Schließglied fest verbunden ist, bewegbar. Die federnde Membran ist in eine der Schichten inte­ griert und grenzt an einen mit Druckmittel beaufschlagten Raum. Für den Druckkraftausgleich ist eine der druckbeauf­ schlagten Membran entgegenwirkende Druckausgleichsfläche an­ geordnet.

Mit dieser Lösung wird jedoch keine vollständige Druckkompen­ sation, sondern nur ein teilweiser Druckausgleich erreicht, da die Kompensationsfläche deutlich kleiner als die zu kompensie­ rende Fläche ist. Nachteilig ist auch das schlechte Dichtver­ halten der Ventile aufgrund des großen Umfanges des Ventil­ spaltes, da das Schließglied die Einlaßkammer aber ihre gesam­ te Breite abdichten muß. Außerdem wird bei Ventilbetätigung ein instabiler Zustand durchlaufen, da der Unterdruck unter der Kompensationsfläche im Moment des Öffnens schlagartig abgebaut wird. Die dabei entstehenden dynamischen Lasten wir­ ken sich an den Verbindungsstellen von Ventilsitz und Kompen­ sationsfläche aus, was die Lebenserwartung der Ventile negativ beeinflußt. Die Herstellung solcher Ventile erfordert eine aufwendige und komplizierte Strukturierungs- und Montagetech­ nologie, wobei nur eine enge Fehlertolerierung zulässig ist.

Eine weitere Lösung offenbart die EP 03 92 978 A1, die eine Mikropumpe mit konstanter Leistung angibt, bei der mindestens ein Teil des Pumpenmechanismus durch Bearbeitung eines Sili­ ziumplättchens mit Hilfe der Fotolithografietechniken herge­ stellt wird. Dies geschieht dadurch, daß die Mikropumpe eine Pumpkammer, einen Einlaßkanal, der mit der Pumpkammer über ein Ansaugventil kommuniziert und einen Auslaßkanal, der mit der Pumpkammer über ein Druckventil kommuniziert, aufweist, wobei diese Elemente durch Gravur eines Siliziumplättchens herge­ stellt werden, welches anschließend dicht mit mindestens einem Glasplättchen verbunden wird. Die Mikropumpe weist außerdem ein piezoelektrisches Plättchen zur Veränderung des Pumpkam­ mervolumens durch Verformung einer Wandung auf, die einen Teil der Wand dieser Pumpkammer bildet. Um den Bewegungsausschlag der verformbaren Wandung zu bestimmen, besitzt die Pumpkammer einen Anschlag. Auf diese Weise wird die Volumenänderung der Kammer, die durch die Bewegung der verformbaren Wandung ver­ ursacht wird, genau definiert, wodurch es möglich ist, die Leistung der Mikropumpe unter normalen Betriebsbedingungen nahezu konstant zu halten.

Diese Druckschrift offenbart eine technische Lösung, bei der die Ventile wie passive Rückschlagventile arbeiten und dement­ sprechend als solche ausgebildet sind. Das heißt, die Funktion des Rückschlagventils basiert auf den in den beiden Kammern existierenden Druckverhältnissen. Wird eine elektrische Span­ nung an das Antriebselement angelegt, so ergibt sich ein Druckanstieg in der Pumpkammer, der die Öffnung des Druckven­ tils hervorruft. Die in der Pumpkammer enthaltene Flüssigkeit wird dann durch die Bewegung der verformbaren Wandung von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung zum Auslaßkanal gedrückt. Dabei dient der Antrieb dazu, durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Pumpkammervolumens die Flüssigkeit entsprechend in Bewegung zu versetzen. Somit ist die Konstanz der Leistung der Mikropumpe abhängig von den in der Pumpe erzeugten Druckverhältnissen und vom davon unabhängig arbei­ tenden Betätigungselement.

Von Nachteil insbesondere für den Einsatz in der Medizintech­ nik ist, daß der zeitliche Mittelwert für den Durchfluß des Mediums ausschließlich durch den Druckabfall zwischen Ein- und Ausgang des Ventiles bestimmt wird, ohne daß der Durchfluß durch die Ansteuerung eines Betätigungselementes unterbunden werden kann, denn die Ansteuerung des eingesetzten Betäti­ gungselementes bewirkt lediglich kurzzeitige Schwankungen der Durchflußrate.

Eine weitere bekannte Druckschrift, die DE 38 14 150 A1, be­ schreibt eine Ventilanordnung aus mikrostrukturierten, aus einem Grundkörper herausgearbeiteten Komponenten, bei welcher ein Betätigungselement relativ zu einem Strömungswegverteiler bewegbar ist und je nach seiner Schaltposition Fluidwege frei­ gibt oder verschließt, wobei durch die Zuschaltung eines an eine Energiequelle angeschlossenen Stellantriebes die Über­ führung von einer Position in die andere erfolgt und danach das Betätigungselement in seiner Position gehalten wird. Der Stellantrieb besteht dabei aus beheizbaren Schichten mit un­ terschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, von denen eine als Verschlußelement ausgebildet ist. Dieser Ver­ schlußkörper dient dabei lediglich der Abstandseinstellung beziehungsweise -verringerung zwischen Membran- und Kanalmün­ dung, um die maximal mögliche Auslenkung der Membran einstel­ len zu können.

Diese Lösung ist für den Einsatz in der Medizintechnik unge­ eignet, da nicht in jedem Fall ein 100-prozentig sicheres und stabiles Funktionieren des Ventils gewährleistet werden kann. Das Schließen und Geschlossenhalten des Ventils wird mit Hilfe unterschiedlicher, voneinander unabhängiger Mittel realisiert. Außerdem sind prinzipiell nur zwei Ventilstellungen möglich, daß heißt, entweder ist das Ventil geöffnet oder geschlossen (digitale Arbeitsweise des Ventiles). Zwischenstellungen sind weder vorgesehen noch möglich. Da das Ventil im Normalzustand noch vollständig geöffnet ist, besteht die Gefahr des Leerlau­ fens, was bei Einsatz in der Medizintechnik Gefahr für die Patienten bedeuten kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein mikromechanisches Ventil für mikromechanische Dosiereinrichtungen zu entwickeln, das mit hoher Zuverlässigkeit und stabiler Arbeitsweise 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 Energiebe­ darf den Einsatz von kleinen, effektiven Antriebselementen ermöglicht, geringen Platzbedarf benötigt und mittels einfa­ cher Montagetechnologien herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ven­ tilmembran in ihrem mittleren Bereich mit der als dünne An­ triebsmembran ausgebildeten Deckschicht unlösbar und mit der Grundschicht lösbar verbunden ist, derart, daß rings um den Durchgang der Ventilmembran mindestens ein, durch die Einlaß­ kammer bis auf die Innenfläche der Antriebsmembran ragendes Verbindungselement angeordnet ist und die Ventilmembran aus­ laßseitig rings um den Durchgang einen Ventilwall aufweist, der nur im nichtbetätigten Zustand auf der Innenfläche der Grundschicht aufliegt, und daß der Durchfluß für das Medium über Einlaßkanal, Einlaßkammer, Durchgang und im geöffneten Zustand Auslaßkammer, Auslaßkanal gewährleistet ist.

Nach der weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung sind in beide Seiten der Trennschicht sämtliche kanal- und kammer­ bildenden Strukturen für Ein- und Auslaß so eingearbeitet, daß ihre Flächenschwerpunkte übereinander liegen und die verblei­ bende 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 Ein­ laßkammer zwischen Antriebsmembran und Ventilmembran und die Auslaßkammer zwischen Ventilmembran und Grundschicht angeord­ net. Ein- und Auslaßkanal liegen sich versetzt gegenüber.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Auflage­ fläche des Ventilwalles und der Innenfläche der Grundschicht eine dünne Schicht aus nichtbondbarem Material, wie Silizium­ oxid oder Siliziumnitrit, angeordnet.

Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung sind Grund­ schicht, Ventilmembran und Antriebsmembran mittels anodischem Bonden unlösbar miteinander verbunden. Dabei bestehen die Grundschicht und die Antriebsmembran aus einem thermisch ange­ paßten Glasmaterial und die Ventilmembran aus einem halblei­ tenden Siliziumsubstrat.

Nach einer anderen Fortbildung der Erfindung besteht die Deck­ schicht aus einem halbleitenden Siliziumsubstrat, in deren äußere Fläche eine Aussparung für das Betätigungselement ein­ gearbeitet ist, die restliche Schicht die Antriebsmembran bildet und Ein- und Auslaßkammer in Form und Größe unter­ schiedlich 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 gungsselemente in Form von auf die Antriebsmembran aufgebrach­ ten Piezoscheiben vorgesehen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen 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 piezoelektri­ 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 Element 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 Betätigungselemente 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 (10)

1. Mikromechanisches Ventil für mikromechanische Dosierein­ richtungen, im wesentlichen bestehend aus mindestens drei übereinander angeordneten und unlösbar miteinander ver­ bundenen Schichten, die mit einem Betätigungselement ge­ koppelt sind, wobei die Schichten flächige Strukturierun­ gen zur Bildung von Ein- und Auslaßkanälen bzw. Ein- und Auslaßkammern aufweisen, die mittlere Schicht als Trenn­ schicht zwischen Ein- und Auslaß und die äußeren Schichten als eine Grund- und Deckschicht angeordnet sind und die Trennschicht als dünne, elastische Ventilmembran mit einem mittigen Durchgang ausgebildet ist und wobei das Betäti­ gungselement an der Außenfläche der Deckschicht direkt über der Einlaßkammer und zentrisch zur Ventilmembran angeordnet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ventilmembran (2) in ihrem mittleren Be­ reich mit der als dünne Antriebsmembran (3, 13) ausgebil­ deten Deckschicht unlösbar und mit der Grundschicht (1) lösbar verbunden ist, derart, daß rings um den Durchgang (9) der Ventilmembran (2) mindestens ein, durch die Ein­ laßkammer (5) bis auf die Innenfläche der Antriebsmembran (3, 13) ragendes Verbindungselement (10) angeordnet ist und die Ventilmembran (2) auslaßseitig rings um den Durch­ gang (9) einen Ventilwall (11) aufweist, der nur im nicht­ betätigten Zustand auf der Innenfläche der Grundschicht (1) aufliegt und daß der Durchfluß für das Medium über Einlaßkanal (7), Einlaßkammer (5), Durchgang (9) und im geöffneten Zustand Auslaßkammer (6), Auslaßkanal (8) ge­ währleistet ist.

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

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

4. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einlaß­ kammer (5) zwischen Antriebsmembran (3) und Ventilmembran (2) und die Auslaßkammer (6) zwischen Ventilmembran (2) und Grundschicht (1) angeordnet ist und daß sich der Ein­ laßkanal (7) und der Auslaßkanal (8) seitlich versetzt gegenüberliegen.

5. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Auflagefläche des Ventilwalls (11) und der Innenfläche der Grundschicht (1) eine dünne Schicht (12) aus nichtbond­ barem Material, wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrit, angeordnet ist.

6. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß Grund­ schicht (1), Ventilmembran (2) und Antriebsmembran (3) mittels anodischem Bonden unlösbar miteinander verbunden sind.

7. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß Grund­ schicht (1) und Antriebsmembran (3) aus einem thermisch angepaßten Glasmaterial und die Ventilmembran (2) aus einem halbleitenden Siliziumsubstrat bestehen.

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

9. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Deck- und Trennschicht mittels Waferbonden und die Trennschicht mit der Grund­ schicht durch anodisches Bonden unlösbar verbunden sind.

10. Mikromechanisches Ventil nach Anspruch 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß als Betäti­ gungselement (4) ein piezoelektrisches Membrananregungs­ element, in Form einer Piezoscheibe, durch Aufkleben auf die Außenfläche der Antriebsmembran (3) angeordnet ist.