WO1991013255A1 - Mikrominiaturisierte pumpe - Google Patents

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WO1991013255A1
WO1991013255A1 PCT/DE1990/000830 DE9000830W WO9113255A1 WO 1991013255 A1 WO1991013255 A1 WO 1991013255A1 DE 9000830 W DE9000830 W DE 9000830W WO 9113255 A1 WO9113255 A1 WO 9113255A1
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pump
pump body
membrane
thin
microminiaturized
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Axel Richter
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
    • A61M5/14—Infusion devices, e.g. infusing by gravity; Blood infusion; Accessories therefor
    • A61M5/142—Pressure infusion, e.g. using pumps
    • A61M5/145—Pressure infusion, e.g. using pumps using pressurised reservoirs, e.g. pressurised by means of pistons
    • A61M5/14586—Pressure infusion, e.g. using pumps using pressurised reservoirs, e.g. pressurised by means of pistons pressurised by means of a flexible diaphragm
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
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    • A61M2205/02—General characteristics of the apparatus characterised by a particular materials
    • A61M2205/0244—Micromachined materials, e.g. made from silicon wafers, microelectromechanical systems [MEMS] or comprising nanotechnology

Definitions

  • the present invention relates to a microminiaturized pump with at least a first and a second pump body which is arranged one above the other and connected to one another, at least one of the pump bodies at least partially consisting of a semiconductor material, and both pump bodies comprising electrically conductive regions which comprise ge are isolated from each other, according to the preamble of claim 1.
  • microminiaturized pump is known from the specialist publication A. Richter and H. Sandmaier "An Electrohydrodynamic Micropump", IEEE MEMS-90, February 12-14, 1990, Napa Valley, California, USA.
  • This known microminiaturized pump is an electrohydrodynamic injection pump, the pump bodies of which are spaced apart in the pump direction are designed as grid-shaped semiconductor electrodes with surface metallization.
  • one of the two grid-shaped electrodes is used to inject ions into the gas to be pumped or the liquid to be pumped, which is necessarily insulating.
  • the relative movement of the ions to the gas to be pumped or to the liquid to be pumped produces a pumping action, so that this known electrostatic pump does not require any moving parts.
  • this known pump is not suitable for pumping or dosing aqueous solutions or other conductive media.
  • a microminiaturized pump operating according to a different principle of action is described in the specialist publication F.CM. van de Pol at al., "A Thermopneumatic Micropump Based on Micro-engineering Techniques” of the conference report “Transducers '89” The 5th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators & Eurosensors III, June 25-30, 1989, Montreux , Switzerland.
  • a heating resistor is located in a chamber filled with a gas and closed off by a membrane. The gas volume can be increased and decreased by heating and cooling the heating resistor. As a result, the membrane of the chamber can be actuated electrically.
  • a chamber with the liquid to be pumped On the side of the membrane facing away from the heating resistor there is a chamber with the liquid to be pumped, which is closed off on the inlet side and on the outlet side by a non-return valve, whereby movement of the membrane leads to pumping of the liquid enclosed in the chamber.
  • This known micropump is composed of five different layer structures which have to be produced in separate manufacturing processes before they can be combined to form the micropump. It therefore requires a high manufacturing effort. Furthermore, it has comparatively large dimensions and, despite a low delivery rate in the order of a few microliters per minute, a power consumption in the order of approximately 2 watts.
  • a membrane micropump which operates according to one of the principles of operation described above Micropump deviating piezoelectric principle works.
  • the known pump essentially comprises a piezoelectric actuating part which is connected to a membrane structure via adhesive points, which in turn is connected to a plate-shaped valve seat glass structure.
  • This known pump not only requires high operating voltages in the The order of magnitude of 100 V for controlling the piezoelectric actuating element, but with dimensions of 20x20x10 mm it requires too much space for many applications.
  • the known microvalve consists of a silicon base plate with an inlet opening on which a dielectric layer is arranged, which merges into a movable closure plate.
  • the closure plate encloses a first electrode surface, which is opposite a second electrode surface within the dielectric layer.
  • the normally open valve can be brought into a closed state by applying a suitable control voltage.
  • the object of the present invention is to develop a microminiaturized pump of the type mentioned at the outset in such a way that it can be produced with technologies suitable for large-scale production with a high degree of miniaturization and low power consumption.
  • At least one of the two pump bodies has a membrane-like, thin, elastic region, within which at least one non-return valve, preferably a plurality of non-return valves, is arranged.
  • Each check valve is formed in one piece with the membrane-like, thin, elastic region and has an inlet opening and a cover opposite the inlet opening and covering it. closing plate that merges with the membrane-like thin, elastic area on one of its narrow sides.
  • the membrane-like thin, elastic area comprises at least a part of the electrically conductive area of one of the two pump bodies, while the electrically conductive area of the other pump body is at a small distance from the latter in relation to the surface dimensions of the membrane-like thin, elastic area is arranged.
  • a particular advantage of the microminiaturized pump according to the invention lies in the fact that it can be used with rear electrical insulation of at least one of the two pump bodies for pumping and metering aqueous or conductive solutions and liquids, such as those which occur in particular in the medical and biotechnological field .
  • the pump according to the invention is therefore of particular importance in the incorporal application for metering any liquid medication, which is possible for the first time due to the degree of microminiaturization of the pump according to the invention.
  • miniaturized pump according to the invention Another important advantage of the miniaturized pump according to the invention is that, due to its manufacturing process, it also allows integration with sensors and electrical control elements to form a microsystem.
  • FIG. 1 shows a vertical sectional view of a first embodiment of the microminiaturized pump according to the invention
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of a valve structure within the membrane, as is contained several times in the pump according to FIG. 1;
  • FIG. 1 of the microminiaturized pump according to the invention for pumping liquids or gases is designated in its entirety by reference number 1 and essentially comprises a first pump body 2, which is arranged above a second pump body 3 and is fixed connected to it. Both pump bodies 2, 3 consist of silicon. On the front of the pump body 2, 3 is a silicon nitride layer 4, 5, which has a thickness of about 1 to 5 microns. Each pump body 2, 3 has a rear recess 6, 7, which is produced by photolithographically defining a rear etching opening and subsequent anisotropic etching. As is known per se, such an anisotropic etching can be carried out in silicon, for example by means of a 30% KOH solution.
  • the rear, truncated pyramidal recesses 6, 7 define thin, membrane-like, elastic regions 8, 9 within the pump bodies 2, 3.
  • the membrane-like thin, elastic regions consist of a silicon membrane 10, 11 with the silicon nitride layer 4, 5 lying above it.
  • silicon nitride layer 4, 5 preferably comprises a layer sequence of a thermal oxide layer 4a of 100 to 300 nm thickness 91/13255
  • first silicon nitride partial layer 4b from 400 to 1000 nm thick and a second silicon nitride partial layer 4c from 400 to 2000 nm thick, as can be seen in particular in FIG. 2.
  • each membrane-like, thin, elastic region 8, 9 there is a plurality of check valves 12, 13 arranged in the form of a field, the structure of which will be explained later with reference to FIG. 2.
  • the back of the first pump body 2 is connected to a front oxide layer 5a of the second pump body 3 by means of a pyrex intermediate layer 14 by electrostatic bonding.
  • the pump bodies 2, 3 can also be glued together.
  • the second pump body 3 has a thermal oxide layer 15 for its electrical insulation in the direction of its rear side. This thermal oxide layer 15, together with the silicon nitride layer 5 of the second pump body 3, forms an electrical insulation which completely surrounds this.
  • the first pump body 2 is supplied with the two potentials of an AC voltage via a first ohmic contact 16 and the second pump body 3 via a second ohmic contact 17. Due to the electrostatic forces generated by the applied AC voltage, the membrane-like thin, elastic areas 8, 9 of the pump 1 are set in opposite vibrations.
  • the frequency of the applied AC voltage is preferably selected such that it corresponds to the first mechanical fundamental vibration of the two membrane-like regions 8, 9.
  • the diaphragm stroke and thus the pump quantity of pump 1 can be set exactly by suitable choice of frequency and voltage value.
  • FIG. 2 shows a perspective view of one of the check valves 12 arranged in the pump 1 according to FIG. 1. As can be seen in detail in FIG. 2, this is because O 91/13255
  • the valve 12 has an inlet opening 18 arranged in the lowest level of the silicon nitride layer 4 and having a cross section of, for example, 25 ⁇ 60 micrometers.
  • the inlet opening 18 is connected to the rear recess 6 of the first pump body 2 via a rear recess 19 produced by anisotropic etching.
  • a surface recess 20 which is arranged centrally to the inlet opening 18.
  • An edge recess 21 which is essentially U-shaped in plan view of the membrane-like, thin, elastic region 8 extends in the vertical direction down to the surface recess 20, as a result of which a closure plate 22 is defined which integrally merges into the silicon nitride layer 4 on a narrow side 23 , while the remaining narrow sides 24, 25, 26 are delimited by the edge recess 21.
  • the closure plate 22 lies at a short distance, for example 1 micron, above the inlet opening 18 centrally above the latter.
  • the closure plate 22 forms, together with the inlet opening 18, a check valve 12 due to the inherent elasticity of the closure plate 22, since the closure plate 22 can be flexed away from the inlet opening 18 in a self-elastic manner with a fluid pressure acting from the rear side and thus releases it, while at one of the Front of the nitride layer 4 acting fluid pressure, the closure plate 22 comes to rest above the inlet opening 18 and thus closes it.
  • the first nitride layer 4b is first applied to the oxide layer 4a of the thermally oxidized silicon wafer, into which a window-shaped recess for fixing the Entry opening 18 is etched.
  • a suitable mask is used to introduce a sacrificial layer of 400 to 2000 nm, preferably 1000 nm thick, into the inlet opening 18 and into the area of the later surface recess 20, which can consist, for example, of PBSG or a metal.
  • This structure is covered with the second nitride layer 4c, which is indicated in FIG. 2.
  • the edge recess 21 is defined and etched in a further photolithographic step.
  • the sacrificial layer is removed in a further etching step by means of a selective etching process, the nitride layer not being attacked. Then, by means of two successive photolithography and etching steps, first the rear recess 6 and then the rear recesses 19 are fixed and etched free. If isolation of the semiconductor pump body is desired, this can now be done by thermally oxidizing the silicon. Isolation by means of chemical vapor deposition or sputtering on an insulator material can also be considered.
  • the method step of selective etching of the sacrificial layer can, in deviation from the above method, also take place after the etching of the rear recess 19 and the inlet opening 18.
  • the back of the first pump body 2 is connected to the front silicon nitride layer 5 of the second pump body 3 by means of electrostatic bonding.
  • the mutual distance between the two membrane-like areas 8, 9 is very much smaller than the lateral dimension of the membrane-like area 8, 9.
  • silicon wafers have a thickness of about 500 micrometers.
  • FIGS. 3 to 6 A second to fifth embodiment of the pump according to the invention are explained in more detail below with reference to FIGS. 3 to 6. These exemplary embodiments, with the exception of the deviations explained below, correspond to the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2, so that the same or similar parts or manufacturing processes cannot be explained again.
  • the first pump body 2 corresponds identically to the first pump body 2 of the first embodiment according to FIG. 1 or FIG. 2, with the exception of a side channel arranged on its underside.
  • the second pump body 3 is designed as a flat silicon body 28 with an oxide-pytex layer 5a arranged thereon and has only the function of a counterelectrode for the membrane-like area 8 of the first pump body 2. It is obvious to a person skilled in the art that, in order to achieve a pumping effect, at least then a second set of check valves is not required if the pump is used to convey a liquid which, when the oscillating oscillation of the membrane-like, thin, elastic region 8 of the first pump body 2 is continuous due to its inertia flowing state is maintained.
  • the second pump body 3 essentially coincides with that 3 of the first embodiment according to FIG. 1.
  • the membrane-like, thin, elastic region 8 of the first pump body 2 is replaced by a rigid counter-electrode region 29, which is defined by the fact that in the embodiment shown here Example, the rear recess 30 is etched by an anisotropic etching process only by the desired electrode distance of 5 to 20 microns relative to the back of the silicon wafer of the first pump body 2. This makes it possible to leave the silicon wafer 2 in its original thickness of approximately 500 micrometers, since the thickness of the silicon wafer in this embodiment is independent of the size of the electrode spacing.
  • the embodiment according to FIG. 5, which represents the fourth exemplary embodiment of the pump 1 according to the invention, is identical to the third embodiment according to FIG. 4 with regard to the first pump body.
  • the second pump body 3 consists exclusively of the silicon nitride layer 5, in which a metal electrode layer 31 is embedded in such a way that it is enclosed on all sides by the silicon nitride layer 5.
  • the metal electrode layer within the silicon nitride layer 5 has 13 electrode recesses 32 in the area of the check valves so that the movement of the closure plates 22 is independent of the control voltage applied.
  • the fifth embodiment of the pump 1 according to the invention differs from the fourth embodiment according to FIG. 5 in that the rear side of the first pump body 2 facing the second pump body 3 is essentially flat, apart from the recesses 19 on the rear.
  • the second pump body 3 here has a front-side spacing recess 33 produced by anisotropic etching, through which the membrane-like thin, elastic region 9 of the second pump body is offset by the desired electrode distance in the direction of its rear side.
  • the fifth embodiment according to FIG. The advantage achieved is that the wafer thickness is independent of the desired electrode spacing.
  • more than two pump bodies can be arranged one above the other at high pump pressures or in the event of a reduction in the pressurization of the valves which may be considered necessary.
  • any material suitable as an electrode can be used for the second pump body 3.
  • the conductive semiconductor region was electrically insulated from one 3 of the two pump bodies 2, 3 by a completely enclosing insulation layer 5, 15 from the fluid to be pumped. If complete potential separation is desired, the second pump body can of course also be isolated in a corresponding manner.

Abstract

Eine mikrominiaturisierte Pumpe (1) besteht aus zwei übereinander angeordneten, miteinander verbundenen und aus einem Halbleitermaterial bestehenden Pumpenkörper (2, 3), die jeweils elektrisch leitfähige Bereiche umfassen, die gegeneinander elektrisch isoliert sind. Zur Erweiterung des Einsatzbereiches einer derartigen Pumpe (1) auf das Pumpen wässriger Lösungen weist wenigstens einer der beiden Pumpenkörper (2, 3) einen membranartig dünnen, elastischen Bereich (8, 9) auf, in den zumindest ein Rückschlagventil (12, 13) integriert ist, das eine Eintrittsöffnung (18) und eine dieselbe überdeckende Verschlußplatte (22) aufweist, wobei der membranartig dünne, elastische Bereich (8, 9) zumindest einen Teil des elektrisch leitfähigen Bereiches eines Pumpenkörpers (2, 3) umfaßt und wobei der elektrisch leitfähige Bereich des anderen Pumpenkörpers (2, 3) mit einem bezogen auf die Flächenabmessungen des membranartig dünnen, elastischen Bereiches (8, 9) geringen Abstand zu diesem angeordnet ist.

Description

Mikrominiaturisierte Pumpe
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrominiaturisierte Pumpe mit zumindest einem ersten und einem zweiten, überein¬ ander angeordneten und miteinander verbundenen Pumpenkörper, wobei zumindest einer der Pumpenkörper wenigstens teilweise aus einem Halbleitermaterial besteht, und wobei beide Pum¬ penkörper elektrisch leitfähige Bereiche umfassen, die ge¬ geneinander isoliert sind, nach dem Oberbegriff des Patent¬ anspruchs 1.
Aus der Fachveröffentlichung A. Richter und H. Sandmaier "An Electrohydrodynamic Micropump", IEEE MEMS-90, 12. - 14. Fe¬ bruar 1990, Napa Valley, Californien, USA ist eine derartige mikrominiaturisierte Pumpe bekannt. Diese aus der genannten Fachveröffentlichung, die anläßlich einer Fachtagung ver¬ breitet wurde, bekannte Mikropumpe entspricht der Mikropum- pe, die in der älteren, nicht vorveröffentlichten Anmeldung P 39 25 749.5-32 der Anmelderin offenbart ist. Bei dieser bekannten mikrominiaturisierten Pumpe handelt es sich um eine elektrohydrodynamische Injektionspumpe, deren in Pump¬ richtung voneinander beabstandeten Pumpenkörper als gitter- förmige Halbleiterelektroden mit Oberflächenmetallisierung ausgebildet sind. Bei dieser Pumpe wird von einer der beiden gitterförmigen Elektroden eine Ioneninjektion in das zu pum¬ pende Gas oder die zu pumpende, nötigerweise isolierende Flüssigkeit vorgenommen. Die Relativbewegung der Ionen zu dem zu pumpenden Gas oder zu der zu pumpenden Flüssigkeit erzeugt eine Pumpwirkung, so daß diese bekannte elektrosta¬ tische Pumpe ohne bewegliche Teile auskommt. Jedoch eignet sich diese bekannte Pumpe nicht zum Pumpen oder Dosieren wässriger Lösungen oder sonstiger leitfähiger Medien. 91/13255
Eine nach einem anderen Wirkungsprinzip arbeitende mikromi¬ niaturisierte Pumpe ist in der Fachveröffentlichung F.CM. van de Pol at al., "A Thermopneumatic Micropump Based on Micro-engineering Techniques" des Konferenzberichtes "Trans- ducers '89" The 5th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators & Eurosensors III, Juni 25 - 30, 1989, Montreux, Schweiz, bekannt. Bei dieser bekannten Mikropumpe liegt ein Heizwiderstand in einer mit einem Gas gefüllten, durch eine Membran abgeschlossenen Kammer. Durch Aufheizen und Abkühlen des Heizwiderstandes kann das Gasvolumen erhöht und abgesenkt werden. Hierdurch kann die Membran der Kammer elektrisch betätigt werden. Auf der dem Heizwiderstand abge¬ wandten Seite der Membran liegt eine Kammer mit der zu pum¬ penden Flüssigkeit, die einlaßseitig und auslaßseitig durch je ein Rückschlagventil abgeschlossen ist, wodurch eine Be¬ wegung der Membran zu einer Pumpförderung der in der Kammer eingeschlossenen Flüssigkeit führt. Diese bekannte Mikropum¬ pe ist aus fünf verschiedenen Schichtstrukturen zusammenge¬ setzt, die in getrennten Fertigungsverfahren erzeugt werden müssen, bevor sie zu der Mikropumpe vereinigt werden können. Sie erfordert daher einen hohen Herstellungsaufwand. Ferner hat sie vergleichsweise große Abmessungen und trotz einer niedrigen Förderleistung in der Größenordnung von wenigen Mikrolitern pro Minute eine Leistungsaufnahme in der Größen¬ ordnung von etwa 2 Watt.
Aus der FachVeröffentlichung M. Esashi, et al., " Normally Closed Microvalve and Micropump Fabricated on a Silicon Wafer", Sensors and Actuators, 20, 1989, Seiten 163 bis 169 ist eine Membranmikropumpe bekannt, die nach einem von den Wirkungsprinzipien der oben erläuterten Mikropumpe abwei¬ chenden piezoelektrischen Wirkungsprinzip arbeitet. Die be¬ kannte Pumpe umfaßt im wesentlichen ein piezoelektrisches Betätigungsteil, das mit einer Membranstruktur über Klebe¬ stellen verbunden ist, die ihrerseits mit einer plattenför- migen Ventilsitzglasstruktur verbunden ist. Diese bekannte Pumpe erfordert nicht nur hohe Betriebsspannungen in der Größenordnung von 100 V zum Ansteuern des piezoelektrischen Betätigungselementes, sondern hat mit Maßen von 20x20x10 mm einen für viele Anwendungsfälle zu hohen Raumbedarf.
Aus der Fachveröffentlichung T. Ohnstein, "Micromachined Silicon Microvalve", Proceedings IEEE, 11.-14. Februar 1990, Napa Valley, Kalifornien, USA, ist bereits ein elektrosta¬ tisch betätigbares Siliziummikroventil zum elektrisch steu¬ erbaren Modulieren eines Gasflusses bekannt. Das bekannte Mikroventil besteht aus einer Siliziumgrundplatte mit einer Einlaßöffnung, auf der eine dielektrische Schicht angeordnet ist, die in eine bewegliche Verschlußplatte übergeht. Die Verschlußplatte umschließt eine erste Elektrodenfläche, der eine zweite Elektrodenfläche innerhalb der dielektrischen Schicht gegenüberliegt. Durch Anlegen einer geeigneten Steu¬ erspannung kann das normalerweise geöffnete Ventil in einen geschlossenen Zustand gebracht werden.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mikrominiaturisierte Pumpe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie bei einem hohen möglichen Miniaturisierungsgrad und niedri¬ ger Leistungsaufnahme mit für die Großserienherstellung ge¬ eigneten Technologien herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer mikrominiaturisierten Pumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs l angegebenen Merk¬ male gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen mikrominiaturisierten Pumpe weist wenigstens einer der beiden Pumpenkörper einen membranartig dünnen, elastischen Bereich auf, innerhalb dessen zumindest ein Rückschlagventil, vorzugsweise eine Vielzahl von Rück¬ schlagventilen angeordnet ist. Jedes Rückschlagventil ist einstückig mit dem membranartig dünnen, elastischen Bereich ausgebildet und weist eine Eintrittsöffnung sowie eine der Eintrittsöffnung gegenüberliegende, diese überdeckende Ver- schlußplatte auf, die an einer ihrer Schmalseiten in den membranartig dünnen, elastischen Bereich übergeht. Der mem¬ branartig dünne, elastische Bereich umfaßt zumindest einen Teil des elektrisch leitfähigen Bereiches von einem der bei¬ den Pumpenkörper, während der elektrisch leitfähige Bereich des anderen Pumpenkörpers mit einem bezogen auf die Flächen¬ abmessungen des membranartig dünnen, elastischen Bereiches geringen Abstand zu diesem angeordnet ist. Die so geschaffe¬ ne, integrierte Membran-Ventil-Pumpenstruktur der erfin¬ dungsgemäßen mikrominiaturisierten Pumpe kann mit HerStel¬ lungstechniken der Halbleitertechnologie erzeugt werden.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen mikrominiaturi¬ sierten Pumpe liegt darin, daß sie bei rückseitiger elektri¬ scher Isolation von wenigstens einem der beiden Pumpenkörper zum Pumpen und Dosieren wässriger oder leitfähiger Lösungen und Flüssigkeiten, wie sie insbesondere im medizinischen und biotechnologischen Bereich auftreten, verwendet werden kann. Daher kommt der erfindungsgemäßen Pumpe besondere Bedeutung bei der inkorporalen Anwendung zur Dosierung beliebiger flüssiger Medikamente zu, die durch den erfindungsgemäß er¬ reichten Grad der Mikrominiaturisierung der erfindungsge¬ mäßen Pumpe erstmals möglich ist.
Ein weiterer bedeutender Vorteil der erfindungsgemäßen mi¬ krominiaturisierten Pumpe liegt darin, daß sie aufgrund ihres Herstellungsverfahrens auch die Integration mit Sen¬ soren und elektrischen Steuerelementen zu einem Mikrosystem erlaubt.
Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen mikromi¬ niaturisierten Pumpe sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Vertikalschnittdarstellung einer ersten Aus¬ führungsform der erfindungsgemäßen mikrominiaturi¬ sierten Pumpe;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Ventilstruk¬ tur innerhalb der Membran, wie sie in der Pumpe ge¬ mäß Fig. 1 mehrfach enthalten ist; und
Fig. 3 Vertikalschnittdarstellungen einer zweiten bis fünf- bis 6 ten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikro¬ miniaturisierten Pumpe.
Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsge¬ mäßen mikrominiaturisierten Pumpe zum Pumpen von Flüssigkei¬ ten oder Gasen ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszei¬ chen 1 bezeichnet und umfaßt im wesentlichen einen ersten Pumpenkörper 2, der oberhalb eines zweiten Pumpenkörpers 3 angeordnet und fest mit diesem verbunden ist. Beide Pumpen¬ körper 2, 3 bestehen aus Silizium. Auf der Vorderseite der Pumpenkörper 2, 3 ist eine Siliziumnitridschicht 4, 5, die eine Dicke von etwa 1 bis 5 Mikrometer hat. Jeder Pumpen¬ körper 2, 3 weist eine rückseitige Ausnehmung 6, 7 auf, die durch fotolithographisches Festlegen einer rückseitigen Ätz- öffnung und anschließendes anisotropes Ätzen erzeugt wird. Wie an sich bekannt ist, kann ein derartiges anisotropes Ätzen in Silizium beispielsweise mittels einer 30 %igen KOH- -Lösung vorgenommen werden. Durch die rückseitigen, pyrami¬ denstumpfförmigen Ausnehmungen 6, 7 werden membranartig dün¬ ne, elastische Bereiche 8, 9 innerhalb der Pumpenkörper 2, 3 festgelegt. Die mebranartig dünnen, elastischen Bereiche bestehen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Siliziummembran 10, 11 mit der darüberliegenden Siliziumni¬ tridschicht 4, 5.
Vorzugsweise umfaßt jede der nachfolgend als Siliziumnitrid¬ schicht 4, 5 bezeichneten Schichten eine Schichtenfolge aus einer thermischen Oxidschicht 4a von 100 bis 300 nm Dicke, 91/13255
einer ersten Siliziumnitridteilschicht 4b von 400 bis 1000 nm Dicke und einer zweiten Siliziumnitridteilschicht 4c von 400 bis 2000 nm Dicke, wie dies insbesondere in Fig. 2 zu sehen ist.
Innerhalb eines jeden membranartig dünnen, elastischen Be¬ reiches 8, 9 liegt eine Mehrzahl von feldformig angeordneten Rückschlagventilen 12, 13, deren Struktur später unter Be¬ zugnahme auf Fig. 2 näher erläutert wird.
Die Rückseite des ersten Pumpenkörpers 2 ist mit einer vor¬ derseitigen Oxidschicht 5a des zweiten Pumpenkörpers 3 mit¬ tels einer Pyrexzwischenschicht 14 durch elektrostatisches Bonden verbunden.
Ebenfalls können die Pumpenkörper 2, 3 miteinander verklebt werden. Der zweite Pumpenkörper 3 weist zum Zwecke seiner elektrischen Isolation in Richtung zu seiner Rückseite hin eine thermische Oxidschicht 15 auf. Diese thermische Oxid¬ schicht 15 bildet zusammen mit der Siliziumnitridschicht 5 des zweiten Pumpenkörpers 3 eine diesen vollständig um¬ schließende elektrische Isolation. Der erste Pumpenkörper 2 wird über einen ersten Ohm'sehen Kontakt 16 und der zweite Pumpenkörper 3 über einen zweiten Ohm'sehen Kontakt 17 mit den beiden Potentialen einer Wechselspannung beaufschlagt. Aufgrund der durch die angelegte Wechselspannung erzeugten elektrostatischen Kräfte werden die membranartig dünnen, elastischen Bereiche 8, 9 der Pumpe 1 in entgegengesetzte Schwingungen versetzt. Vorzugsweise ist die Frequenz der angelegten Wechselspannung derart gewählt, daß sie der ersten mechanischen Grundschwingung der beiden membranar¬ tigen Bereiche 8, 9 entspricht. Durch geeignete Wahl der Frequenz und des Spannungswertes kann der Membranhub und somit die Pumpmenge der Pumpe 1 exakt eingestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines der bei der Pumpe 1 gemäß Fig. 1 angeordneten Rückschlagventiles 12. Wie in Fig. 2 im einzelnen zu sehen ist, liegt das O 91/13255
Rückschlagvem .1 12 innerhalb des membranartig dünnen, ela¬ stischen Bereiches 8, der die Siliziumnitridschicht 4 und die Siliziummembran 10 umfaßt. Das Ventil 12 hat eine in der untersten Ebene der Siliziumnitridschicht 4 angeordnete Einlaßöffnung 18 mit einem Querschnitt von beispielsweise 25 x 60 Mikrometer. Die Eintrittsöffnung 18 steht über eine durch anisotropes Ätzen erzeugte rückseitige Aussparung 19 mit der rückseitigen Ausnehmung 6 des ersten Pumpenkörpers 2 in Verbindung.
In einer Mittenebene der Siliziumnitridschicht 4 liegt eine Flächenausnehmung 20, die zentrisch zu der Eintrittsöffnung 18 angeordnet ist. Eine in Draufsicht auf den membranartig dünnen, elastischen Bereich 8 im wesentlichen U-förmige Randausnehmung 21 erstreckt sich in vertikaler Richtung nach unten bis zur Flächenausnehmung 20, wodurch eine Ver¬ schlußplatte 22 definiert wird, die an einer Schmalseite 23 einstückig in die Siliziumnitridschicht 4 übergeht, während die übrigen Schmalseiten 24, 25, 26 von der Randausnehmung 21 umgrenzt sind. Somit liegt die Verschlußplatte 22 in einem geringen Abstand von beispielsweise 1 Mikrometer oberhalb der Eintrittsöffnung 18 zentrisch über dieser. Die Verschlußplatte 22 bildet zusammen mit der Eintrittsöffnung 18 aufgrund der Eigenelastizität der Verschlußplatte 22 ein Rückschlagventil 12, da sich die Verschlußplatte 22 bei einem von der Rückseite wirkenden Fluiddruck von der Ein¬ trittsöffnung 18 eigenelastisch wegbiegen läßt und somit diese freigibt, während bei einem von der Vorderseite der Nitridschicht 4 wirkenden Fluiddruck die Verschlußplatte 22 oberhalb der Eintrittsöffnung 18 zur Anlage kommt und somit diese verschließt.
Für die Herstellung der in den Fig. 1 und 2 gezeigten er¬ findungsgemäßen Pumpe 1 wird zunächst auf die Oxidschicht 4a des thermisch oxidierten Siliziumwafers die erste Ni¬ tridschicht 4b aufgebracht, in die in einem fotolithogra¬ phischen Ätzverfahren eine fensterför ige Ausnehmung zum Festlegen der Eintrittsöffnung 18 geätzt wird. Mittels ei- ner geeigneten Maske wird in die Eintrittsöffnung 18 und in den Bereich der späteren Flächenausnehmung 20 eine Opfer¬ schicht von 400 bis 2000 nm, vorzugsweise 1000 nm Dicke eingebracht, die beispielsweise aus PBSG oder einem Metall bestehen kann. Diese Struktur wird mit der zweiten Nitrid¬ schicht 4c, die in Fig. 2 angedeutet ist, überdeckt. In ei¬ nem weiteren fotolithographischen Schritt wird die Randaus¬ nehmung 21 definiert und geätzt. Die Opferschicht wird in einem weiteren Ätzschritt mittels eines selektiven Ätzpro¬ zesses entfernt, wobei die Nitridschicht nicht angegriffen wird. Anschließend werden durch zwei aufeinanderfolgende Fotolithographie- und Ätz-Schritte zunächst die rückseitige Ausnehmung 6 und anschließend die rückseitigen Aussparungen 19 festgelegt und freigeätzt. Falls eine Isolation des Halbleiterpumpenkörpers gewünscht ist, kann dies nun durch thermisches Oxidieren des Siliziums geschehen. Gleichfalls kommt eine Isolation mittels chemischen Dampfabscheiden oder Aufsputtern eines Isolatormaterials in Betracht.
Der Verfahrensschritt des selektiven Ätzens der Opfer¬ schicht kann in Abweichung von dem obigen Verfahren auch nach dem Ätzen der rückseitigen Aussparung 19 und der Ein¬ trittsöffnung 18 erfolgen.
Durch Aufbringen einer Pyrexzwischenschicht 14 wird die Rückseite des ersten Pumpenkörpers 2 mit der vorderseitigen Siliziumnitridschicht 5 des zweiten Pumpenkörpers 3 mittels elektrostatischen Bondens verbunden.
Für einen Betrieb der erfindungsgemäßen elektrostatischen Pumpe mit der in Fig. 1 gezeigten Struktur mit einer nie¬ drigen Wechselspannung ist es erforderlich, daß der gegen¬ seitige Abstand der beiden membranartigen Bereiche 8, 9 sehr viel geringer ist als die Lateralabmessung des mem¬ branartigen Bereiches 8, 9. Üblicherweise haben Siliziu - wafer eine Dicke von etwa 500 Mikrometer. Um die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe 1 mit einer niedrigen Spannung betreiben zu können, ist es jedoch erforderlich, zumindest die Dicke des ersten Pumpenkörpers 2 auf vorzugsweise 5 bis 20 Mikrometer zu reduzieren.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 eine zweite bis fünfte Ausführungsform der erfindungsgemä¬ ßen Pumpe näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele stim¬ men bis auf die nachfolgend erläuterten Abweichungen mit dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 überein, so daß auf eine nochmalige Erläuterung gleicher oder ähnlicher Teile oder Herstellungsverfahren verzichtet werden kann.
Bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe gemäß Fig. 3 stimmt der erste Pumpenkörper 2 mit Ausnahme eines an seiner Unterseite angeordneten Seitenkanales mit dem ersten Pumpenkörper 2 der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 identisch überein.
Der zweite Pumpenkörper 3 ist jedoch hier als ebener Sili¬ ziumkörper 28 mit darauf angeordneter Oxid-Pytex-Schicht 5a ausgebildet und hat lediglich die Funktion einer Gegenelek¬ trode für den membranartigen Bereich 8 des ersten Pumpen¬ körpers 2. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß es zur Erzielung einer Pumpwirkung zumindest dann nicht eines zweiten Satzes von Rückschlagventilen bedarf, wenn mit der Pumpe eine Flüssigkeit gefördert wird, die bei einem oszil¬ lierenden Schwingen des membranartig dünnen, elastischen Bereiches 8 des ersten Pumpenkörpers 2 aufgrund ihrer Massenträgheit in einem kontinuierlich fließenden Zustand gehalten wird.
Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 4 stimmt hinge¬ gen der zweite Pumpenkörper 3 im wesentlichen mit demjeni¬ gen 3 des ersten Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 über¬ ein. Jedoch ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Pumpe 1 gemäß Fig. 4 der membranartig dünne, elastische Bereich 8 des ersten Pumpenkörpers 2 durch einen starren Gegenelektrodenbereich 29 ersetzt, der dadurch definiert ist, daß bei dem hier gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel die rückseitige Ausnehmung 30 mittels eines anisotropen Ätzverfahrens lediglich um den gewünschten Elektrodenabstand von 5 bis 20 Mikrometer gegenüber der Rückseite des Siliziumwafers des ersten Pumpenkörpers 2 eingeätzt wird. Hierdurch ist es möglich, den Siliziumwafer 2 in seiner ursprünglichen Dicke von etwa 500 Mikrometern zu belassen, da die Dicke des Siliziumwafers bei dieser Ausführungsform unabhängig von der Größe des Elektroden¬ abstandes ist.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 5, die das vierte Ausfüh¬ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Pumpe 1 darstellt, stimmt bezüglich des ersten Pumpenkörpers identisch mit dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 überein. Der zwei¬ te Pumpenkörper 3 besteht in seinem membranartig dünnen, elastischen Bereich 9 ausschließlich aus der Siliziumni¬ tridschicht 5, in die eine Metallelektrodenschicht 31 in der Weise eingebettet ist, das diese allseits von der Sili¬ ziumnitridschicht 5 umschlossen ist. Die Metallelektroden¬ schicht innerhalb der Siliziumnitridschicht 5 hat im Be¬ reich der Rückschlagventile 13 Elektrodenausnehmungen 32, damit die Bewegung der Verschlußplatten 22 unabhängig von der angelegten Steuerspannung ist.
Die fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe 1 unterscheidet sich dadurch von der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 5, daß die dem zweiten Pumpenkörper 3 zugewandte Rückseite des ersten Pumpenkörpers 2 im wesentlichen eben ausgebildet ist, wenn man von den rückseitigen Aussparungen 19 absieht. Anstelle der rückseitigen Abstandsausnehmung 30 des ersten Pumpenkörpers 2 bei dem dritten Ausführungsbei- spiel gemäß Fig. 4 weist hier der zweite Pumpenkörper 3 ei¬ ne durch anisotropes Ätzen erzeugte vorderseitige Abstands¬ ausnehmung 33 auf, durch die der membranartig dünne, ela¬ stische Bereich 9 des zweiten Pumpenkörpers um den gewün¬ schten Elektrodenabstand in Richtung zu dessen Rückseite versetzt ist. Ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird bei der fünften Ausführungsform gemäß Fig. 6 der Vorteil erreicht, daß die Waferdicke unabhängig von dem gewünschten Elektrodenabstand ist.
In Abweichung zu den in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Pumpen¬ strukturen können bei hohen Pumpdrucken oder bei einer ge¬ gebenenfalls für erforderlich erachteten Reduktion der Druckbeaufschlagung der Ventile mehr als zwei Pumpenkörper übereinander angeordnet werden.
Anstelle des als bevorzugt angesehenen Siliziums als Aus¬ gangsmaterial für sämtliche Pumpenkörper ist es möglich, lediglich einen Pumpenkörper aus Silizium oder einem ande¬ ren Halbleitermaterial zu fertigen, und den anderen Pumpen¬ körper aus einem geeigneten anderen Material herzustellen. Insbesondere bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann je¬ des als Elektrode geeignete Material für den zweiten Pum¬ penkörper 3 eingesetzt werden.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen wurde lediglich der leitfähige Halbleiterbereich von einem 3 der beiden Pumpen¬ körper 2, 3 durch eine vollständig einschließende Isola¬ tionsschicht 5, 15 elektrisch gegenüber dem zu pumpenden Fluid isoliert. Falls eine vollständige Potentialtrennung gewünscht ist, kann selbstverständlich auch der zweite Pum¬ penkörper in entsprechender Weise isoliert werden.

Claims

/13255Patentansprüche
1. Mikrominiaturisierte Pumpe
mit zumindest einem ersten und einem zweiten Pumpen¬ körper (2, 3), die übereinander angeordnet und mitein¬ ander verbunden sind,
wobei zumindest einer (2) der Pumpenkörper (2, 3) wenigstens teilweise aus einem Halbleitermaterial be¬ steht, und
wobei beide Pumpenkörper (2, 3) elektrisch leitfähige Bereiche umfassen, die gegeneinander elektrisch iso¬ liert sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens einer der beiden Pumpenkörper (2, 3) einen membranartig dünnen, elastischen Bereich (8, 9) aufweist,
daß wenigstens ein Rückschlagventil (12, 13) innerhalb des membranartig dünnen, elastischen Bereiches (8, 9) angeordnet ist, das integriert mit dem membranartig dünnen, elastischen Bereich (8, 9) ausgebildet ist und eine Eintrittsöffnung (18) sowie eine die Eintrittsöff¬ nung überdeckende Verschlußplatte (22) aufweist, die an einer (23) ihrer Schmalseiten (23, 24, 25, 26) in den membranartig dünnen, elastischen Bereich übergeht,
daß der membranartig dünne, elastische Bereich (8, 9) zumindest einen Teil des elektrisch leitfähigen Berei¬ ches des Pumpenkörpers umfaßt, und daß der elektrisch leitfähige Bereich des anderen Pum¬ penkörpers mit einem bezogen auf die Flächenabmessungen des membranartig dünnen, elastischen Bereiches (8, 9) geringen Abstand zu diesem angeordnet ist.
2. Mikrominiaturisierte Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der elektrisch leitfähige Bereich von wenigstens einem der Pumpenkörper (2, 3) allseitig von einer elek¬ trisch isolierenden Schicht (5, 15) umschlossen ist.
3. Mikrominiaturisierte Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste, den membranartig dünnen, elastischen Be¬ reich (8) aufweisende und teilweise aus einem Halblei¬ termaterial bestehende Pumpenkörper (2) eine vordersei¬ tige, dielektrische Schicht (4) , in der das Rückschlag¬ ventil ausgebildet ist, und eine rückseitige, durch an¬ isotropes Ätzen erzeugte Ausnehmung (6) aufweist, die den membranartig dünnen, elastischen Bereich (8) defi¬ niert.
4. Mikrominiaturisierte Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Pumpenkörper (2) ferner eine vorderseiti¬ ge, durch anisotropes Ätzen erzeugte Abstandsausnehmung (33) aufweist, die zusammen mit der rückseitigen Aus¬ nehmung (6) den membranartig dünnen, elastischen Be¬ reich (9) definiert, und
daß die vorderseitige, dielektrische Schicht (5) in der vorderseitigen Abstandsausnehmung (33) angeordent ist.
5. Mikrominiaturisierte Pumpe nach Anspruch 3 oder 4, /13255
dadurch gekennzeichnet,
daß die dielektrische Schicht (4, 5) eine Siliziumni¬ tridschicht oder eine Schicht aus thermischem Oxid und Siliziumnitrid ist.
6. Mikrominiaturisierte Pumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eintrittsöffnung (18) des Rückschlagventiles (12, 13) in einer von der Vorderseite des membranartig dünnen, elastischen Bereiches (8, 9) beabstandeten Ebene der dielektrischen Schicht (4, 5) liegt, und
daß die Eintrittsöffnung (18) mit der rückseitigen Aus¬ nehmung (6) über eine durch anisotropes Ätzen erzeugte rückseitige Aussparung (19) verbunden ist.
7. Mikrominiaturisierte Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Flächenausnehmung (20) zwischen der Verschlu߬ platte (22) und der Eintrittsöffnung (18) vorgesehen ist, durch die die Verschlußplatte (22) von der Ein¬ trittsöffnung (18) beabstandet ist, und
daß eine in Draufsicht auf den membranartig dünnen, elastischen Bereich (8, 9) im wesentlichen U-förmige Randausnehmung (21) , die sich bis zu der Flächenaus¬ nehmung (20) erstreckt, diejenigen Schmalseiten (24, 25, 26) der Verschlußplatte (22) definiert, an denen diese nicht in den membranartig dünnen, elastischen Bereich (8, 9) übergeht.
8. Mikrominiaturisierte Pumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 7 in direkter oder indirekter Rüσkbeziehung auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 91/13255
daß die den elektrisch leitfähigen Bereich allseitig umschließende elektrisch isolierende Schicht einerseits durch die vorderseitige, dielektrische Schicht (5) und andererseits durch eine rückseitige Isolatorschicht (15) gebildet wird.
9. Mikrominiaturisierte Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die rückseitige Isolatorschicht durch ein thermi¬ sches Oxid des Halbleitermaterials des Pumpenkörpers (2, 3) gebildet ist.
10. Mikrominiaturisierte Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die rückseitige Isolatorschicht durch einen che¬ misch im Dampfabscheidungsverfahren auf die Rückseite des Pumpenkörpers (2, 3) aufgebrachten Isolator gebil¬ det ist.
11. Mikrominiaturisierte Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die rückseitige Isolatorschicht durch ein mittels Sputtern auf die Rückseite des Pumpenkörpers (2, 3) aufgebrachtes Isolatormaterial gebildet ist.
12. Mikrominiaturisierte Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Pumpenkörper (2, 3) im wesentlichen aus Silizium bestehen.
13. Mikrominiaturisierte Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Pumpenkörper (2, 3) durch eine Pyrex- 91/13255
Zwischenschicht (14) mittels elektrostatischen Bondens miteinander verbunden sind.
14. Mikrominiaturisierte Pumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 13 in direkter oder indirekter Rückbeziehung auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der leitfähige Bereich eines Pumpenkörpers (2, 3) durch eine in die dielektrische Schicht (5) einge¬ bettete Metallelektrodenschicht (31) gebildet ist, die im Bereich der Ventile (12, 13) Elektrodenausnehmungen (32) hat.
15. Mikrominiaturisierte Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der eine Pumpenkörper einen membranartig dünnen, elastischen Bereich (9) aufweist, und
daß sich der leitfähige Bereich des anderen Pumpenkör¬ pers (2) bis nahe an den membranartig dünnen, elasti¬ schen Bereich (9) des einen Pumpenkörpers (3) er¬ streckt.
16. Mikrominiaturisierte Pumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die dielektrische Schicht (5) des einen Pum¬ penkörpers als Ebene über dessen Fläche erstreckt, und
daß der andere Pumpenkörper (2) auf seiner dem einen Pumpenkörper (3) zugewandten Rückseite eine durch an¬ isotropes Ätzen erzeugte Abstandsausnehmung (30) auf¬ weist.
17. Mikrominiaturisierte Pumpe nach Anspruch 15 in direkter oder indirekter Rückbeziehung auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Pumpenkörper (2) auf seiner dem einen Pumpenkörper (3) zugewandten Rückseite im wesentlichen eben ausgebildet ist, und
daß die vorderseitige Ausnehmung (33) des einen Pumpen¬ körpers (3) einen Abstand des membranartig dünnen, elastischen Bereiches (9) zu der Rückseite des anderen Pumpenkörpers (2) festlegt.
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