WO1995020105A1 - Mikromembranpumpe - Google Patents

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WO1995020105A1
WO1995020105A1 PCT/EP1994/003954 EP9403954W WO9520105A1 WO 1995020105 A1 WO1995020105 A1 WO 1995020105A1 EP 9403954 W EP9403954 W EP 9403954W WO 9520105 A1 WO9520105 A1 WO 9520105A1
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WO
WIPO (PCT)
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pump
membrane
adhesive
valve
pump housing
Prior art date
Application number
PCT/EP1994/003954
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Burkhard BÜSTGENS
Gerhard Stern
Wolfgang Keller
Dieter Seidel
Dieter Maas
Original Assignee
Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh filed Critical Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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Priority to EP95903302A priority patent/EP0741839B1/de
Publication of WO1995020105A1 publication Critical patent/WO1995020105A1/de

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Classifications

    • 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
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps

Definitions

  • the invention relates to a micromembrane pump according to the preamble of claim 1.
  • micromembrane pumps are known, e.g. two differently driven pumps, which in H.T.G. van Lin ⁇ tel, F.CM. van de Pol, "A piezoelectric micropump based on micromachining of Silicon", Sensors and Actuators, 15 1988 153-167 and H.T.G. van Lintel, H.T.G. van Lintel, M. Elwen-spoek, J.H.J. Fluitman, "A thermopneumatic pump based on micro-engineering techniques", Sensors and Actuators, A21-A23 1990, 198-202.
  • the first pump has a pump membrane with attached piezoceramic
  • the second pump has a thermopneumatic drive above the pump membrane in the form of an expanding air volume when heat is added. Both pumps have integrated inlet and outlet valves.
  • the fixed and moving parts of the mentioned micromembrane pumps which represent the current state of the art, are essentially made of the basic materials silicon and glass.
  • the elastic parts of the pumps described, that is above all the pump and valve membranes, are thinly etched using different etching processes.
  • the smallest membrane thicknesses are of the order of 20 mm.
  • the thickness of the membranes and the material properties of glass or silicon in these pumps provide the boundary conditions which essentially limit the pump performance.
  • With relatively large membrane diameters only small deflections are possible. As a result, such pump membranes do not achieve the compression ratios required to convey gases.
  • the diameters of the valves must be chosen to be very large in order to keep the flexibility of the valve membranes and thus the pressure loss in the direction of passage small.
  • the pump is driven by an external pneumatic actuator and is able to convey gaseous media.
  • the pump has a pump membrane made of titanium and valves which consist of a titanium and a polyimide membrane.
  • the pump membrane can be deflected to the bottom of the pump chamber and in this way has a high compression ratio.
  • a relatively high pressure is required for the deflection of the pump diaphragm, which cannot be generated by an integrated actuator.
  • all pumps must be glued individually for manufacture, which requires a lot of effort. The manufacture of this pump requires many individual steps to be carried out one after the other.
  • the object of the invention is to provide a pump of the e. G. Design in such a way that it can be assembled in a few steps with a simple construction.
  • a particular advantage of the pump is that the simultaneous, parallel production of many pumps with few manufacturing steps is possible with as little effort as possible.
  • the lowest possible manufacturing effort relates both to the manufacture of the individual components of the pump such as pump housings, pump membranes and valves as well as the simultaneous and exact bonding of many micro components in one step.
  • the pressure losses are minimized by designing the membrane in the area of the actuator chamber.
  • Fig. 1 shows a schematic cross section through a pump and Fig. 2 shows a mold for its manufacture.
  • FIG. 6 shows an example of the manufacture of a membrane with a heating coil.
  • Figure 1 shows schematically the basic structure of the micropump.
  • a polyimide membrane 3 with a thickness of 2 mm is glued on its upper side to the pump housing upper part 1 and on its lower side to the pump housing lower part 2.
  • the pump housing contains the non-moving functional components of the pump. These are in the upper part 1 of the pump housing, the actuator chamber 17, various flow channels 6, the valve chamber 8 and the valve seat of the inlet valve 10, the valve chamber of the outlet valve 13, fluid inlet 5, fluid outlet 7, a coherent cavity system 19 for Filling with adhesive, and filling openings 20 and outlet openings for filling with adhesive. Furthermore, openings for the electrical contacting of the pump are not shown.
  • the functional components in the lower part of the pump housing are the pump chamber 16, the flow channels 6 between the valves and the pump chamber, the valve chamber of the inlet valve 9, the valve seat of the outlet valve 14, a cavity system 18 for filling with adhesive, Adhesive inlet 22 and adhesive outlet 23.
  • the cavities 18, 19 for the filling process and the cavities 6, 8, 9, 12, 13, 16, 17 are delimited from one another by webs 24, with the aid of which the lateral structures are formed and the structure height is precisely defined .
  • the polyimide membrane 3 is characterized by a high elasticity and forms the pump membrane in the area of the actuator chamber 17. In the area of the inlet valve 8, 9, 10 and the outlet valve 12, 13, 14 there are holes 11 and 15 in the polyimide membrane 3.
  • the valve effect results from the fact that the hole in the membrane is closed by the flat valve seat. if there is an overpressure on the side opposite the valve seat, or that the diaphragm lifts from the valve seat in such a way that the hole in the diaphragm is released and a flow occurs.
  • the micromembrane pump is driven by the thermal expansion of a fluid which is located in the actuator chamber 17 and is heated by a metallic heating coil 4 applied to the polyimide membrane.
  • a short current pulse is applied to the heating coil 4. This heats up and gives off heat both to the medium in the actuator chamber 17 and to the medium in the pump chamber. If there are gaseous media in the actuator chamber 17 and pump chamber 16, the pressure increase in the actuator gas resulting from the heating deflects the pump membrane. The deflection of the pump membrane 3 reduces the volume of the pump chamber 16 and, together with the simultaneous heating of the pump gas, leads to an increase in pressure in the pump chamber 16.
  • the use of a liquid medium at low temperature in the actuator chamber 17 increases the expansion of the medium is achieved by its evaporation, which means that very high actuator pressures can be generated.
  • the consequence of the pressure increase in the actuator chamber 17 here is again the deflection of the pump membrane 3 in the direction of the pump chamber 16.
  • the cooling of the medium in the actuator chamber 17 begins by means of heat conduction and heat radiation.
  • pressure and volume in the interior of the actuator chamber decrease in accordance with the gas laws, in the case of the vaporized liquid, condensation leads back to the initial state.
  • the pump membrane moves back to its starting position and thus generates a negative pressure in the pump chamber 16 and on the valves as a result of the pump medium previously pushed out.
  • the outlet valve now closes, while the inlet valve opens and pumps medium into the pump chamber.
  • the heating coil applied directly to the pump membrane has further significant advantages.
  • the heat transfer to the pump housing is minimized in the heating phase.
  • the recondensation of the actuator medium by the medium conveyed is initiated at the location of the heating coil. This ensures that the heating coil is in optimal thermal contact with the actuator liquid at the beginning of the next heating phase.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a valve.
  • the valves are characterized in that they consist of a flexible, freely stretched membrane 3, which has a microstructured opening 11 in the central area.
  • the outline the valve opening 11 and the diaphragm clamping 25 can, as shown by way of example in FIG. 4, be round, oval or can be described by a polygon.
  • Figure 3 explains the basic structure of a valve as it is implemented in the pumps manufactured.
  • On one side of the membrane there is a flat, firm valve seat 10, which covers the opening of the valve membrane by at least the width of the required sealing surface between the membrane and the valve seat.
  • the valve seat is part of one of the two pump bodies that are connected to the diaphragm.
  • the tightness of the valves in the blocking direction is determined by the degree of coverage, the surface roughness of the valve membrane and valve seat and essentially by the flexibility of the valve membrane. Thanks to a very thin polyimide membrane, the sealing effect can be maintained even under unclean conditions, since it is able to nestle around small dirt particles.
  • FIG. 5a shows the relationships of the example carried out.
  • Membrane clamping and valve seat are on one level.
  • FIG. 5b shows the exemplary embodiment of a high valve seat, which bulges the membrane upwards in the load-free state.
  • a considerable pressure difference is already necessary to open the valve; the valve remains closed in the forward direction until this pressure difference is reached.
  • the pressure drop at a given flow and therefore the power drop is higher than in FIG. 5a.
  • the return flow during load changes is reduced due to the smaller stroke volume and the lower flexibility of the free, more tight membrane. This configuration is advantageous if small volume flows are to be rectified under large pressure differences or if the load change frequencies are high.
  • the height of the valve seat does not reach the level of the membrane clamping, the membrane is freely stretched over its entire area in the no-load case.
  • the valve has a lower flow resistance than in the forward direction in case a, it closes in the blocking direction only after a blocking pressure has been reached.
  • the adhesive technology mentioned in claim 5 overcomes all these disadvantages and, due to its simplicity and the small number of work steps, is outstandingly suitable for the parallel bonding of microstructures.
  • the prerequisites for successful gluing are already created in the design of the microstructures.
  • the basic idea is that there are concave structures around the microstructures on a substrate, which can contain a large number of microstructures, which can be contiguous or partially contiguous and depend on the functional areas. microstructures are separated by bars of constant height.
  • the concave structures have the task of taking up the adhesive in the actual adhesive step, so that after the adhesive has been bonded, separated by the webs, the adhesive is located around the microstructures.
  • the adhesive takes on the function of mechanically linking the joining partners, the sealing of individual microstructures and the joining partners to one another and, through internal relaxation processes, helps to reduce internal stresses which, for. B. caused by temperature changes between the adhesive partners, at.
  • the task of the webs is to use their height to specify a precisely reproducible reference height for setting the adhesive joint thickness and to prevent the adhesive from flowing into the microstructures during the adhesive process.
  • FIG. 6 explains the conditions on the basis of a view of the lower housing part of the micropumps as they were manufactured.
  • 18 mean the concave structure into which adhesive is poured
  • 24 the webs that delimit the adhesive area
  • 16, 9, 6, 14 are the functional areas pump chamber, valve chamber, flow channels of the pump and valve seat, which are free of adhesive have to stay.
  • 22 is the opening into which the adhesive flows and 23 is the opening from which excess adhesive can emerge again or can enter a further microstructure.
  • FIG. 12 shows a detail of the cross section through a concave structure for holding the adhesive between two microstructures.
  • 24 means the webs that separate the adhesive area from the actual microstructures, 26 and 31 are the locally involved adhesive partners.
  • FIG. 12b shows the concave structure for receiving the adhesive in areas of great structure height 36, which are primarily used for charging the adhesive, and in areas of low structure height, which allows the actual adhesive thickness to be adjusted precisely to the adhesive. O 95/2
  • the adhesive process begins with the adjustment of the adhesive partners relative to one another (FIG. 7a) and the subsequent fixing of the joining partners by means of a tensioning device (FIG. 7b).
  • the tension ensures that the webs 24 of one joining partner are pressed onto the second joining partner, which ensures close contact. This close contact enables the exact structural spacing of the two joining partners to be maintained and offers sufficient sealing during the actual gluing process.
  • the adjustment and tensioning process takes place without the presence of adhesive, which has the advantage that the problems of adhesive handling cannot have a negative effect on the precision of the bonding.
  • the adhesive is poured into the hollow structures created by the joining. Either microstructures which have an adhesive inlet and outlet 21 can be filled individually (see FIG.
  • the adhesive can be supplied via a cannula, which is placed tightly on the adhesive inlet. Depending on the viscosity and wettability of the adhesive, as well as the desired flow rate, the adhesive is conveyed into the microstructures with overpressure until it emerges at the outlet opening. Adhesive flow and distribution are controlled by the geometry of the cavity system. A further control of the flow process can be achieved by applying negative pressure to outlet openings 21. This may be necessary above all if the fluid dynamic requirements for uniform filling could not be taken into account sufficiently precisely in the construction of complex channel systems.
  • the adhesive is cured according to its specification.
  • this effect does not lead to a malfunction in the function of the microcomponent, provided that the adhesive does not flow over the edge of the webs which face away from the adhesive cavities and wets the microstructures which are to remain free of adhesive.
  • the adhesive process can be expanded by a non-adjusted intermediate step which ensures a complete seal underneath the webs.
  • the microstructures which contain the webs are brought into contact in a stamping process with a highly viscous, chemically stable layer which has been applied to a flat substrate with a constant thickness. It can be z.
  • an industrial grease which can be rinsed out without residue after bonding with a solvent.
  • the layer applied in the order of magnitude of the surface roughness completely seals the adhesive cavities from the functional areas free of adhesive. Penetration of the adhesive as a result of the capillary action no longer takes place.
  • hot-melt adhesives are also conceivable, provided that the processing temperature of the joining partners does not disturbing or impaired.
  • the adhesive partners must be brought to the processing temperature of the adhesive before the filling process.
  • auxiliary structure 32 ensures that the areas that are to contain adhesive are separated from the areas that must remain free of adhesive and ensures that a desired distance between the adhesive partners is exactly maintained. It can consist of one or more parts, it can be inserted discretely or it can have been built on one of the adhesive partners.
  • FIG. 2 shows an example of the structure of a molding tool for the upper housing part of FIG. 1.
  • Both the structures for the valve seats according to claim 2 are included, as well as the structures for separating the adhesive area from the functional ons range of the micropump according to claim 1.
  • the structures for twelve pump upper parts 1 were on a first molding tool, and the structures for twelve pump lower parts were on a second mold insert
  • the parameters of both the vacuum embossing device and the injection molding machine were chosen such that the total thickness of the molded parts was 1 mm.
  • the materials used were polysulfone (PSU) (in the injection molding machine) and polyvinyl difluoride (PVDF) (in the vacuum embossing machine).
  • PSU polysulfone
  • PVDF polyvinyl difluoride
  • the materials mentioned are characterized by high chemical resistance, optical transparency and temperature resistance.
  • An unfavorable material property of all plastics for pump operation is their low thermal conductivity in comparison to metals and semiconductors.
  • the consequence of using plastic pump housings is that the thermal power dissipated during operation of the pump is small in relation to pump housings made of metal of the same thickness, and the pump may consequently only be operated at low power in order to avoid overheating .
  • the disadvantage can be overcome by selecting the overall thickness of the pump housing to be very small and by making intensive heat contact with a base substrate of high thermal conductivity and possibly a heat sink.
  • the layer thickness can be reduced by the choice of the molding parameters, by post-processing with the aid of an ultra-milling machine or by a plasma etching step.
  • the holes for the fluid inlet and outlet (5, 7 in FIG. 1), adhesive feed and venting (20, 21, 22, 23 in FIG. 1), and the holes for electrical through-plating have not yet been taken into account in the design of the mold inserts , but subsequently drilled with twist drills with a diameter of 0.45 mm and 0.65 mm. O 95/20105
  • the core of the micropump is a polyimide film with a directly applied heating coil.
  • the polyimide film which is structured lithographically for a large number of individual pumps with a single mask, takes on the task of both the individual pump membranes and the valve membranes.
  • an electrically conductive layer was applied to the polyimide film, which was structured into heating coils in the area of the individual pump membranes.
  • the contact surfaces for the electrical connection of the heating helixes were each outside the pump membrane.
  • the manufacturing process of the structured polyimide film and the heating coils will now be explained in more detail using the example of the pumps produced (see FIG. 8).
  • a silicon wafer with a diameter of 100 mm was used as the carrier substrate for the thin-film processes.
  • FIG. 8a Since the film must be separated from the wafer after the first bonding, a thin gold separating layer 27 was sputtered onto the wafer, FIG. 8a. An edge 33 of 5 mm was covered around the wafer during the sputtering process in order to maintain the adhesion of the polyimide to the silicon substrate there and thereby prevent premature detachment of the polyimide film from the wafer. Subsequently (FIG. 8b), a polyimide layer 28 of the photostructurable polyimide Probimide 408 from CIBA-GEIGY was spun to a thickness of 3 ⁇ m with a varnish spinner and dried in a tempering step. The dried lacquer layer was then exposed to UV light 34 using the contact method.
  • the chromium mask 29 used for this purpose provided an exposure of the areas in which a polyimide film should be kept and a covering of the areas which should be removed during development .
  • the latter are the holes in the valves 15 and various alignment marks.
  • a titanium layer 30 was applied by magnetron sputtering to a thickness of 2 ⁇ m. in order to structure heating coils 15 which have good adhesion to the polyimide.
  • the titanium layer 30 was structured lithographically by the positive lacquer AZ4210 and by a subsequent etching process in a solution containing hydrofluoric acid.
  • the exposure of the photoresist used was adjusted using the alignment marks in the polyimide layer and using alignment marks on the mask for structuring the titanium layer.
  • Figure 8e shows the finished membrane structure located on the auxiliary substrate.
  • the sputtering parameters (temperature, bias voltage, gas flow and the electrical power generating the plasma) were set so that an internal tensile stress was formed in the titanium.
  • the heating coils were therefore also under tensile stress after the titanium layer.
  • the titanium which has a much higher modulus of elasticity than polyimide, contracted together with the polyimide film.
  • the polyimide film was compressed.
  • the shape of the applied heating coils ensured that the pump membrane was not only free of tensile stress, but sagged slack. Almost no energy needs to be used to deflect such a slack pump membrane.
  • the heating coil is designed as a double spiral
  • the reduction in tension of the heating spiral after detaching from the substrate leads to a reduction in its length, which, according to geometric laws, means that the inner areas of the polyimide membrane cause a large radial displacement in relation to the elastic material expansions Experience center. This shift leads to the curvature of the membrane.
  • a curvature of a membrane can also be achieved if any other structures of tangential orientation are attached around the membrane or in the membrane.
  • the structures can be closed or interrupted circles, closed or act interrupted polygons or spirally arranged closed or interrupted polygons.
  • the heating coil applied directly to the heating coil has two major advantages. Firstly, the heat transfer to the pump housing is minimized during the heating phase. Secondly, when a low-boiling liquid is used as the actuator medium, the recondensation of the actuator medium by the medium conveyed is initiated at the location of the heating coil. This ensures that at the beginning of the next heating phase the heating coil is in optimal thermal contact with the actuator liquid.
  • polyimide instead of polyimide as the membrane material, other plastics or metals can also be used, with an additional electrically insulating layer between the membrane and the heating coil being provided in the case of metal membranes.
  • the individual components of the upper part of the pump housing, the lower part of the pump housing, and the polyimide membrane with titanium heating coil could be examined for errors and were now ready for gluing.
  • the three individual components were glued together by means of two adhesive processes (FIG. 7) of the type described.
  • a simple device 35 was created, into which the adhesive partners were inserted, adjusted with respect to one another and then braced against one another.
  • the polyimide film located on the silicon substrate 26 was glued to the pump housing upper part 1, which, among other things, contains the actuator chamber and all pump connections (FIGS. 7a-c).
  • the structural dimensions of the membrane and the heating coils on the substrate 26 are larger than the corresponding dimensions of the pump housing. If the adhesive partners cool down to room temperature after bonding, then the contraction of the plastic pump housing causes the membranes to compress.
  • the wafer with the connected, glued-on pump housing upper part 1 was removed from the clamping device 35 and the polyimide film was cut around the rectangular plastic part. As the cooling progressed, the polyimide film detached from the cut edge and supported by the contraction of the plastic part 1 due to the cooling independently of the silicon wafer (FIG. 7d).
  • the pumps were operated with an electrical voltage of 15 V and a frequency of 3 Hz. The voltage was applied for 58 ms each. The average power supplied was 0.27 W. A delivery rate for air of 26 ml / min was measured. The deflection of the pump membrane 3 to the bottom of the pump chamber 16 could be clearly seen with the naked eye and the opening and closing of the valve membranes synchronized with the movement of the pump membrane could be observed in the microscope.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikromembranpumpe bestehend aus einem Pumphäuse-Oberteil (1), einem Pumphäuse-Unterteil (2) und einer zwischen diesen beiden Teilen angeordneten Membranen (3), welche zusammen eine Pumpkammer (16), zwei Ventile (8, 9, 10, 12, 13, 14) und Strömungskanäle bilden. Aufgabe der Erfindung ist es, die Pumpe so auszugestalten, dass sie mit wenigen Arbeitsgängen bei einer einfachen Bauweise aufgebaut werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Heizelement (4), welches mit der Pumpmembran (3) verbunden ist, gelöst.

Description

Mikromembranpumpe
Die Erfindung betrifft eine Mikromembranpumpe nach dem Oberbe¬ griff des Patentanspruchs 1.
Es sind verschiedene Mikromembranpumpen bekannt, so z.B. zwei unterschiedlich angetriebene Pumpen, welche in H.T.G. van Lin¬ tel, F.CM. van de Pol, "A piezoelectric micropump based on micromachining of Silicon", Sensors and Actuators, 15 1988 153-167 und H.T.G. van Lintel, H.T.G. van Lintel, M. Elwen- spoek, J.H.J. Fluitman, "A thermopneumatic pump based on micro-engeneering techniques", Sensors and Actuators, A21-A23 1990, 198-202 beschrieben wurden. Die erste Pumpe besitzt eine Pumpmembrane mit aufgeklebter Piezokeramik, die zweite Pumpe besitzt oberhalb der Pumpmembrane einen thermopneumatischen Antrieb in Form eines bei Wärmezufuhr expandierenden Luftvolu¬ mens. Beide Pumpen verfügen über integrierte Einlaß- und Aus¬ laßventile.
Eine weitere Mikropumpe ist in Roland Zengerle, Axel Richter, "Mikropumpen als Komponenten für Mikrosysteme", Physik in un¬ serer Zeit /24. Jahrg.1993/ Nr. 2 beschrieben worden, die ebenfalls über integrierte Ventile verfügt und deren Pumpmem¬ brane durch elektrostatische Kräfte ausgelenkt wird.
Die festen und beweglichen Teile der angeführten Mikromembran¬ pumpen, die den derzeitigen Stand der Technik repräsentieren, sind im wesentlichen aus den Grundmaterialien Silizium und Glas gefertigt. Die elastischen Teile der beschriebenen Pum¬ pen, das sind vor allem die Pump- und Ventilmembranen, werden dabei mit unterschiedlichen Ätzverfahren dünngeätzt. Die kleinsten Membrandicken liegen dabei in der Größenordnung von 20 mm. Die Dicke der Membranen und die Materialeigenschaften von Glas bzw. Silizium liefern bei diesen Pumpen die die Pump¬ leistung im wesentlichen einschränkenden Randbedingungen. Es sind bei relativ großen Membrandurchmessern nur kleine Aus¬ lenkungen möglich. Als Folge lassen sich mit derartigen Pump- membranen nicht die zur Förderung von Gasen erforderlichen Kompressionsverhältnisse erreichen. Ferner müssen die Durch¬ messer der Ventile sehr groß gewählt werden, um die Flexibili¬ tät der Ventilmambranen und damit den Druckverlust in Durch¬ laßrichtung klein zu halten.
Eine weitere Pumpe wird in R. Rapp, W. K. Schomburg, P. Bley, "Konzeption, Entwicklung und Realisierung einer Mikromembran¬ pumpe in LIGA-Technik", KfK-Bericht Nr. 5251, (1993) be¬ schrieben. Diese Pumpe wird von einem externen pneumatischen Aktor angetrieben und ist in der Lage, gasförmige Medien zu fördern. Die Pumpe hat eine Pumpmembrane aus Titan und Ven¬ tile, die aus einer Titan- und einer Polyimidmembran bestehen. Die Pumpmembrane kann bis zum Boden der Pumpkammer ausgelenkt werden und besitzt auf diese Weise ein hohes Kompressionsver¬ hältnis. Für die Auslenkung der Pumpenmembrane wird allerdings ein relativ hoher Druck benötigt, der von einem integrierten Aktor nicht erzeugt werden kann. Außerdem müssen zur Fertigung alle Pumpen einzeln verklebt werden, was einen hohen Aufwand erfordert. Die Herstellung dieser Pumpe erfordert viele nach¬ einander auszuführende Einzelschritte.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe der e. g. Art so aus¬ zugestalten, daß sie mit wenigen Arbeitsgängen bei einer ein¬ fachen Bauweise aufgebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die ünteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Pumpe.
Ein besonderer Vorteil der Pumpe besteht darin, daß die gleichzeitige, parallele Fertigung vieler Pumpen mit wenigen Herstellungsschritten mit möglichst wenig Aufwand ermöglicht wird. Der möglichst geringe Herstellungsaufwand bezieht sich dabei sowohl auf die Fertigung der Einzelkomponenten der Pumpe wie Pumpgehäuse, Pumpmembrane und Ventile als auch auf die gleichzeitige und exakte Verklebung vieler Mikrokomponenten in einem Schritt. Des weiteren sind durch Ausgestaltung der Mem¬ bran im Bereich der Aktorkammer die Druckverluste minimiert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels mit Hilfe der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Pumpe und Fig. 2 ein Formwerkzeug zu deren Herstellung.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen Ventile, wie sie bei der Pumpe ver¬ wendet werden.
Die Fig. 6, 7 und 9 bis 12 erläutern die Klebetechnik zur Her¬ stellung der Pumpe und die Fig. 8 zeigt beispielhaft die Her¬ stellung einer Membran mit Heizwendel.
Aufbau der Mikropumpe, Benennung der Komponenten
Die Figur 1 zeigt schematisch den Grundaufbau der Mikropumpe. Eine Polyimid-Membrane 3 mit einer Dicke von 2 mm ist auf ih¬ rer Oberseite mit dem Pumpgehäuse-Oberteil 1 und auf ihrer Un¬ terseite mit dem Pumpgehäuse-Unterteil 2 verklebt. Die Pumpge¬ häuse enthalten die nichtbeweglichen Funktionskomponenten der Pumpe. Diese sind im Pumpgehäuse-Oberteil 1 die Aktorkammer 17, verschiedene Strömungskanäle 6, die Ventilkammer 8 und der Ventilsitz des Einlaßventils 10, die Ventilkammer des Aus¬ laßventils 13, Fluid-Einlaß 5, Fluid-Auslaß 7, ein zusammen¬ hängendes Hohlraumsystem 19 zur Befüllung mit Klebstoff, sowie Einfüllöffnungen 20 und Austrittsöffnungen für die Befüllung mit Klebstoff. Ferner nicht abgebildet sind Öffnungen für die elektrische Kontaktierung der Pumpe vorhanden. Die Funktions¬ komponenten sind im Pumpgehäuse-Unterteil die Pumpkammer 16, die Strömungskanäle 6 zwischen Ventilen und Pumpkammer, die Ventilkammer des Einlaßventils 9, der Ventilsitz des Ausla߬ ventils 14, ein Hohlraumsystem 18 zur Befüllung mit Klebstoff, Klebstoffeinlaß 22 und Klebstoffauslaß 23. Die Hohlräume 18,19 für den Befüllvorgang und die Hohlräume 6, 8, 9, 12, 13, 16, 17 sind voneinander durch Stege 24 abgegrenzt, mit deren Hilfe die lateralen Strukturen gebildet und die Strukturhöhe genau definiert werden. Die Polyimid-Membran 3 zeichnet sich durch eine hohe Elastizität aus und bildet im Bereich der Aktorkam¬ mer 17 die Pump-Membrane. Im Bereich des Einlaßventils 8, 9, 10 und des Auslaßventils 12,13,14 befindet sich jeweils ein Loch 11 und 15 in der Polyimid-Membran 3. Die Ventilwirkung entsteht dadurch, daß das Loch in der Membran durch den planen Ventilsitz verschlossen wird, sofern ein Überdruck auf der dem Ventilsitz gegenüberliegenden Seite herrscht, bzw. daß die Membran bei umgekehrt anliegendem Überdruck derart vom Ventil¬ sitz abhebt, daß das Loch in der Membran freigegeben wird und ein Durchfluß entsteht. Der Antrieb der Mikromembranpumpe er¬ folgt durch die thermische Ausdehnung eines Fluids, welches sich in der Aktorkammer 17 befindet und durch eine auf die Po- lyimidmembran aufgebrachte metallische Heizwendel 4 erwärmt wird.
Die Funktionsweise der Mikropumpe :
Ein kurzer Strompuls wird auf die Heizwendel 4 gegeben. Diese erwärmt sich und gibt Wärme sowohl an das Medium in der Aktor¬ kammer 17 als auch an das Medium in der Pumpkammer ab. Befin¬ den sich in der Aktorkammer 17 und Pumpkammer 16 gasförmige Medien, so lenkt die aus der Erwärmung resultierende Druckerhöhung des Aktorgases die Pumpmembrane aus. Die Auslen¬ kung der Pumpmembrane 3 verringert das Volumen der Pumpkammer 16 und führt zusammen mit der gleichzeitigen Erwärmung des Pumpgases zu einem Druckanstieg in der Pumpkammer 16. Durch die Verwendung eines flüssigen, bei niedriger Temperatur sie¬ denden Mediums in der Aktorkammer 17 wird die Ausdehnung des Mediums durch dessen Verdampfung erreicht, wodurch sich sehr hohe Aktordrücke erzeugen lassen. Die Folge der Druckerhöhung in der Aktorkammer 17 ist hier wieder die Auslenkung der Pump- Membran 3 in Richtung der Pumpkammer 16. In beiden Fällen ' setzt sich die resultierende Druckerhöhung des zu pumpenden Fluids über die Strömungskanäle zu den Ventilen hin fort und führt dazu, daß sich die Membran im Bereich des Einlaßventils 11 an dessen Ventilsitz 10 anlegt und das Ventil verschließt, während die Membran im Bereich des Auslaßventils 15 vom Ven¬ tilsitz 14 abhebt und die Öffnung in der Ventilmembran frei¬ gibt. Das Pumpmedium wird ausgeschoben.
Nach dem Ende des Strompulses beginnt die Abkühlung des Medi¬ ums in der Aktorkammer 17 durch Wärmeleitung und Wärme¬ strahlung. Im Fall des gasförmigen Mediums in der Aktorkammer verringern sich Druck und Volumen im Innern der Aktorkammer gemäß den Gasgesetzen, im Fall der verdampften Flüssigkeit führt Kondensation wieder zum Ausgangszustand zurück. Die Pumpenmembrane bewegt sich wieder in ihre Ausgangsläge zurück und erzeugt so als Folge des zuvor ausgeschobenen Pumpmediums einen Unterdruck in der Pumpkammer 16 und an den Ventilen. Entsprechend der oben beschriebenen Ventilfunktion schließt nun das Auslaßventil, während das Einlaßventil öffnet und Pumpmedium in die Pumpkammer einläßt. Diese Vorgänge wiederho¬ len sich mit jedem Pumpzyklus.
Die direkt auf die Pumpmembrane aufgebrachte Heizwendel hat neben des daraus resultierenden einfachen Herstellungsverfah¬ rens weitere wesentliche Vorteile. Zum einen ist der Wärme¬ übergang auf das Pumpengehäuse in der Aufheizphase minimiert. Zum zweiten wird bei Verwendung einer niedrig siedenden Flüs¬ sigkeit als Aktormedium die Rekondensation des Aktormediums durch das geförderte Medium an der Stelle der Heizwendel ein¬ geleitet. Dadurch wird erreicht, daß am Beginn der nächsten Aufheizphase die Heizwendel in optimalem Wärmekontakt mit der Aktorflüssigkeit steht.
Ventile
Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ventils. Die Ventile sind dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer flexi¬ blen, freigespannten Membrane 3 bestehen, welche im zentralen Bereich eine mikrostrukturierte Öffnung 11 besitzt. Der Umriß der Ventilöffnung 11 und der Membraneinspannung 25 kann, wie in Figur 4 beispielhaft gezeigt, rund, oval oder durch einen Polygonzug beschreibbar sein. Figur 3 erleutert den grund- sätzlchen Aufbau eines Ventils, wie es in den hergestellten Pumpen implementiert ist. Auf einer Seite der Membran befindet sich ein ebener, fester Ventilsitz 10, der die Öffnung der Ventilmembrane um mindestens die Breite der erforderlichen Dichtfläche zwischen Membran und Ventilsitz überdeckt. Der Ventilsitz ist Teil eines der beiden Pumpenkörper, die mit der Membran verbunden sind. Die Dichtigkeit der Ventile in Sperr¬ richtung wird durch das Maß der Überdeckung, die Oberflächen¬ rauhigkeit von Ventilmembran und Ventilsitz und wesentlich durch die Flexibilität der Ventilmembran bestimmt. Durch eine sehr dünne Polyimid-Membran kann auch unter unsauberen Bedin¬ gungen die Dichtwirkung beibehalten werden, da sie in der Lage ist, sich um kleine Schmutzpartikel herum anzuschmiegen.
Durch die Höhe der Ventilsitze läßt sich das Öffnungs- und Schließverhalten der Ventile vorgeben, siehe Figur 5. Figur 5a zeigt die Verhältnisse des ausgeführten Beispiels. Membranein¬ spannung und Ventilsitz befinden sich in einer Ebene. Figur 5b zeigt das Ausführungsbeispiel eines hohen Ventilsitzes, der im lastfreien Zustand die Membrane nach oben wölbt. Hier ist zum Öffnen des Ventils bereits eine erhebliche Druckdifferenz not¬ wendig, das Ventil bleibt bis zum Erreichen dieser Druckdiffe¬ renz in Durchlaßrichtung geschlossen. Der Druckabfall bei ge¬ gebenem Durchfluß und daduch der Leistungsabfall ist höher als in Figur 5a. Es verringert sich jedoch der Rückfluß bei Lastwechseln durch das kleinere Schlagvolumen und durch die geringere Nachgiebigkeit der freien, stärker gespannten Membrane. Diese Konfiguration ist dann von Vorteil, wenn kleine Volumenströme unter großen Druckdifferenzen gleichge¬ richtet werden sollen oder wenn die Lastwechselfrequenzen hoch sind. In Figur 5c erreicht die Höhe des Ventilsitzes nicht die Ebene der Membraneinspannung, die Membran ist im lastfreien Fall auf ihrer ganzen Fläche frei gespannt. Das Ventil besitzt in Durchlaßrichtung einen geringeren Strömungswiderstand als im Fall a, schließt in Sperrrichtung jedoch erst nach Errei¬ chen eines Sperrdruckes. Diese Auslegung von Ventilsitz und Membran ist dann von Vorteil, wenn große Volumenströme unter kleinen Druckdifferenzen gleichgerichtet werden sollen.
Kleben
Werden die Einzelteile oberes Pumpgehäuse, Membrane und un¬ teres Pumpgehäuse in konventioneller Weise verklebt, d. h. wird auf die Einzelteile Kleber mit Techniken wie Dispensen, Siebdruck oder Tampondruck aufgetragen, dann entsteht eine Klebstoffschicht, deren Dicke mit ca. 10 μm bereits mit der Größenordnung der MikroStrukturen selbst vergleichbar sein kann. Hohe Toleranzen der Klebefugendicke sind dabei nicht zu vermeiden, was vor allem negative Auswirkungen auf die Funk¬ tion der Mikroventile hat, da der gewünschte Abstand zwischen Ventilmembrane und Ventilsitz nicht exakt eingehalten werden kann. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Klebetechniken ist die zusätzliche Positionierung der lateralen Verteilung des Klebstoffs zu den MikroStrukturen, da verschiedene Bereiche, so z. B. die Ventilsitze und KanalStrukturen, nicht mit Kleb¬ stoff benetzt werden dürfen. Ist schließlich der Klebstoff aufgebracht, dann stellt die exakte Positionierung der Klebe¬ partner zueinander und das anschließende verschmierungsfreie Zusammenfügen sehr hohe Anforderungen an die Handhabung der Proben. Es sind also zwei positionierte Arbeitsgänge notwen¬ dig.
Die in Anspruch 5 genannte Klebetechnik übergeht all diese Nachteile und ist durch ihre Einfachheit und durch die geringe Anzahl der Arbeitsschritte für die parallele Verklebung von MikroStrukturen hervorragend geeignet. Dabei werden bereits im Design der MikroStrukturen die Voraussetzungen für das er¬ folgreiche Verkleben geschaffen. Der Grundgedanke ist, daß sich auf einem Substrat, welches eine große Anzahl von Mi- krostrukturen enthalten kann, konkave Strukturen um die Mi- krostrukturen herum befinden, die zusammenhängend oder teil¬ zusammenhängend sein können und von den funktioneilen Berei- chen der MikroStrukturen durch Stege konstanter Höhe getrennt sind. Die konkaven Strukturen haben die Aufgabe, im eigentli¬ chen Klebeschritt den Klebstoff aufzunehmen, so daß sich nach der Verklebung der Klebstoff, durch die Stege getrennt, rund um die MikroStrukturen herum befindet. Der Klebstoff übernimmt die Funktion der mechanischen Verknüpfung der Fügepartner,der Abdichtung einzelner MikroStrukturen und der Fügepartner un¬ tereinander und trägt durch innere Relaxationsvorgänge zum Ab¬ bau von Eigenspannungen, die z. B. durch Temperaturwechsel zwischen den Klebepartnern entstehen, bei. Die Stege haben die Aufgabe, durch ihre Höhe eine exakt reproduzierbare Referenz- höhe für die Einstellung der Klebefugendicke vorzugeben und ein Hineinfließen des Klebstoffs in die MikroStrukturen wäh¬ rend des Klebevorgangs zu vermeiden.
Figur 6 erläutert die Verhältnisse anhand einer Aufsicht des Gehäuseunterteils der Mikropumpen, wie sie hergestellt wurden. Dabei bedeuten 18 die konkave Struktur, in die Klebstoff ein¬ gefüllt wird, 24 die Stege, die den Klebebereich abgrenzen, 16, 9, 6, 14 sind die Funktionsbereiche Pumpkammer, Ventilkam¬ mer, Strömungskanäle der Pumpe und Ventilsitz, die frei von Klebstoff bleiben müssen. 22 ist die Öffnung, in die der Kleb¬ stoff einfließt und 23 ist die Öffnung, aus der überschüssiger Klebstoff wieder austreten kann oder in eine weitere Mi- krostruktur eintreten kann.
Figur 12 zeigt als Detail den Querschnitt durch eine konkave Struktur zur Aufnahme des Klebstoffs zischen zwei■Mikrostruk- turen. Es bedeuten 24 die Stege, die den Klebstoffbereich von den eigentlichen MikroStrukturen abgrenzen, 26 und 31 sind die lokal beteiligten Klebepartner. Figur 12a zeigt den Fall, daß die Klebeschichtdicke der Höhe der Stege (=Referenzhöhe) ent¬ spricht. In Figur 12b ist die konkave Struktur zur Aufnahme des Klebstoffs in Bereiche großer Strukturhöhe 36, welche vor¬ nehmlich der Klebstoffbeschickung dienen, und in Bereiche niedriger Strukturhöhe, welche eine an den Klebstoff angepaßte exakte Einstellung der tatsächlichen Klebstoffdicke erlaubt. O 95/2
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Der Klebevorgang beginnt mit der Justierung der Klebepartner zueinander (Figur 7a) und dem anschließenden Fixieren der Fü¬ gepartner durch eine Verspannvorrichtung (Figur 7b) . Die Ver¬ spannung sorgt dafür, daß die Stege 24 des einen Fügepartners auf den zweiten Fügepartner gepreßt werden, wodurch ein enger Kontakt gewährleistet ist. Dieser enge Kontakt ermöglicht die exakte Einhaltung des gewünschten Strukturabstandes der beiden Fügepartner und bietet eine hinreichende Abdichtung während des eigentlichen Klebeprozesses. Der Vorgang des Justierens und Verspannens geschieht ohne die Anwesenheit von Klebstoff, was den Vorteil hat, daß sich die Probleme das Klebstoff-Hand- ling nicht negativ auf die Präzision der Verklebung auswirken können. Im eigentlichen Klebe-Schritt (Figur 7c) wird der Klebstoff in die durch das Zusammenfügen entstanden Hohlstruk¬ turen eingefüllt. Dabei können entweder MikroStrukturen, wel¬ che einen Kleberein- 20 und -auslaß 21 besitzen, einzeln be¬ füllt werden (siehe Figur 6) , oder eine große Anzahl von Mi- krostrukturen, die über entsprechend vorbereitete Hohlräume verfügen, über ein Kanalsystem befüllt werden (siehe Figur 9) , oder es kann eine Anzahl von MikroStrukturen über ein komplet¬ tes Hohlraumsystem befüllt werden (siehe Figur 10) . Der Ablauf des BefüllVorgangs hängt von den fluid-dynamischen Eigenschaf¬ ten des verwendeten Klebstoffs ab. Zur Steuerung der Befüllung kann der Klebstoff über eine Kanüle, die dicht auf den Kle¬ bereinlaß aufgesetzt wird, zugeführt werden. Je nach Viskosi¬ tät und Benetzungsfähigkeit des Klebstoffs, sowie der ge¬ wünschten Einfließgeschwindigkeit, wird der Klebstoff mit Überdruck in die MikroStrukturen gefördert, bis er an der Aus¬ trittsöffnung austritt. Klebstoff-Fluß und -Verteilung werden dabei durch die Geometrie des Hohlraumsystems gesteuert. Eine weitere Steuerung des Fließprozesses läßt sich erreichen, in¬ dem Austrittsöffnungen 21 mit Unterdruck beaufschlagt werden. Dies kann vor allem dann notwendig sein, wenn bei der Kon¬ struktion komplexer Kanalsysteme die fluiddynamischen Voraus¬ setzungen für ein gleichmäßiges Befüllen nicht hinreichend ge¬ nau berücksichtigt werden konnten. Nach dem Befüllen wird die 95
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Aushärtung des Klebstoffs nach dessen Spezifikation vorgenom¬ men.
Geeignet für diese Technologie sind alle Klebstoffe zufrieden¬ stellender Adhäsion, die sich in die Mikrokanäle und Mikro- hohlräume mit vertretbaren Drücken hineinbefördern lassen. Eine besondere Bedeutung kommt der Oberflächenspannung des Klebstoffes und dem daraus resultierenden Kapillarverhalten im Zusammenspiel mit den Fügepartnern zu. Hochbenetzende Kleb¬ stoffe haben die Eigenschaft, in kleinste Spalten einzudrin¬ gen. Dies kann dazu führen, daß Klebstoff, der wie beschrieben in die Klebeteile eingeführt wird, durch Rauhigkeiten im Nano- meter-Bereich unter die auf den Klebepartner gepreßten Stege kriecht, was u. U. für die Funktion des Mikrobauteils uner¬ wünscht sein kann. Im allgemeinen führt dieser Effekt nicht zu einer Störung der Funktion des Mikrobauteils, sofern der Kleb¬ stoff nicht über die Kante der Stege, die den Klebehohlräumen abgewandt sind, hinüberfließt und die MikroStrukturen benetzt, die frei von Klebstoff bleiben sollen. Soll ein Hineinfließen des Klebstoffs unter die Stege vollständig unterbunden werden, so läßt sich der Klebeprozeß durch einen nicht-justierten Zwi¬ schenschritt erweitern, der für eine vollständige Abdichtung unterhalb der Stege sorgt. Dazu werden die MikroStrukturen, die die Stege enthalten, im Stempelverfahren mit einer hoch¬ viskosen, chemisch stabilen Schicht, welche auf einem ebenen Substrat mit konstanter Dicke aufgetragen wurde, in Kontakt gebracht. Es kann sich hier z. B. um ein Industriefett han¬ deln, welches sich nach der Verklebung mit einem Lösungsmittel wieder rückstandsfrei herausspülen läßt. Werden die Stege nun auf den Klebepartner aufgepreßt (siehe Figur 7b) , so dich¬ tet die in der Größenordnung der Oberflächen-Rauhigkeit aufge¬ brachte Schicht die Klebe-Hohlräume vollständig von den Kle¬ ber-freien Funktionsbereichen ab. Ein Eindringen des Klebers als Folge der Kapillarwirkung findet nicht mehr statt.
Es ist ferner die Verwendung von Schmelzklebern denkbar, so¬ fern dessen Verarbeitungstemperatur die Fügepartner nicht zer- stört oder beeinträchtigt. Hier müssen die Klebepartner vor dem Befüllvorgang auf die Verarbeitungstemperatur des Kleb¬ stoffs gebracht werden.
Es ist auch möglich, daß mehr als zwei Klebepartner an einer Verklebung beteiligt sind. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn wie in Figur 11 an einem Beispiel gezeigt, eine Hilfsstruktur 32 verwendet wird, um eine erste Struktur 28, 26 mit einer zweiten Struktur 31 zu verkleben. Die Hilfsstruktur 32 sorgt für eine Trennung der Bereiche, die Klebstoff enthalten sollen von den Bereichen, die frei von Klebstoff bleiben müssen und sorgt für die exakte Einhaltung eines gewünschten Abstandes zwischen den Klebepartnern. Sie kann aus einem oder mehreren Teilen bestehen, sie kann diskret eingelegt werden oder sie kann auf einem der Klebepartner aufgebaut worden sein.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Herstellung der Einzelkomponenten der Mikropumpe beschrieben:
Jede der drei Einzelkomponenten Pumpgehäuse-Oberteil 1, Pump¬ membrane 3 mit aufgebrachter Metallstruktur 4, Pumpgehäuse-Un¬ terteil 2 in Figur 1 der Mikropumpe wurde unabhängig herge¬ stellt. Die Einzelkomponenten können somit vor dem Zusammen¬ setzen geprüft werden.
Körper, Formeinsatz, Arbeitsablauf
Oberer 1 und unterer Pumpkörper 2 wurden mit Hilfe eines mi- krostrukturierten Abformwerkzeuges durch Methoden der Kunst¬ stoffVerarbeitung Spritzgießen und Vakuumprägen hergestellt. Die Figur 2 veranschaulicht beispielhaft die Struktur eines Abformwerkzeuges für das Gehäuse-Oberteil von Figur 1. Ein für den Einsatz in die Kunststoff-Abformapparatur vorbereitetes, an der Abformfläche geschliffenes und poliertes Halbzeug aus Messing wurde mit Hilfe eines Hartmetall-Mikrofräsers (Durch¬ messer: 300 μm) strukturiert. Es sind sowohl die Strukturen für die Ventilsitze nach Anspruch 2 enthalten, als auch die Strukturen zur Separierung des Klebstoffbereichs vom Funkti- onsbereich der Mikropumpe nach Anspruch 1. Die Formeinsätze konnten dadurch, daß die Pumpengehäuse nur aus Stegen konstan¬ ter Breite (=Fräserbreite) und wenigen Ventilsitzen bestehen mit geringer Maschinenzeit in Form von Nuten einfacher Geome¬ trie gefräst werden. Auf einem ersten Abformwerkzeug befanden sich die Strukturen für zwölf Pumpen-Oberteile 1, auf einem zweiten Formeinsatz die Strukturen für zwölf Pumpen-Unterteile
Zur Herstellung der Kunststoff-Pumpenkörper wurden die Pa¬ rameter sowohl der Vakuum-Prägevorrichtung als auch der Spritzgießmaschine so gewählt, daß die Gesamtstärke der abge¬ formten Teile 1mm betrug. Als Materialien wurden die Kunst¬ stoffe Polysulfon (PSU) (in der Spritzgießmaschine) und Poly- venyldiflourid (PVDF) (in der Vakuum-Prägemaschine) verwendet. Die genannten Materialien zeichnen sich durch hohe chemische Beständigkeit, optische Transparenz und Temperaturfestigkeit aus. Eine für den Pumpbetrieb ungünstige Materialeigenschaft aller Kunststoffe ist deren im Vergleich zu Metallen und Halb¬ leitern geringe Wärmeleitfähigkeit. Die Konsequenz der Verwen¬ dung von Kunststoff-Pumpgehäusen ist, daß die beim Betrieb der Pumpe abgeführte Wärmeleistung in Relation zu Pumpgehäusen aus Metall gleicher Dicke klein ist und die Pumpe als Folge nur mit kleiner Leistung betrieben werden darf, um eine Überhit¬ zung zu vermeiden. Der Nachteil kann übergangen werden, indem die Gesamtdicke der Pumpgehäuse sehr klein gewählt wird und ein intensiver Wärmekontakt zu einem Grundsubstrat hoher Wär¬ meleitfähigkeit evtl. Kühlkörper hergestellt wird. Eine Ver¬ ringerung der Schichtdicke kann durch die Wahl der Abformpara¬ meter, durch eine Nachbearbeitung mit Hilfe einer Ultrafräse oder durch einen Plasma-Ätzschritt vorgenommen werden. Die Bohrungen für Fluideingang und -ausgang (5, 7 in Figur 1) , Klebstoff-Zuführung und Entlüftung (20, 21, 22, 23 in Figur 1) , sowie die Löcher zur elektrischen Durchkontaktierung wur¬ den noch nicht im Design der Formeinsätze berücksichtigt, son¬ dern nachträglich mit Spiralbohrern der Durchmesser 0.45 mm und 0.65 mm gebohrt. O 95/20105
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Herstellungsablauf PI, Ti
Kernstück der Mikropumpe ist eine Polyimid-Folie mit direkt aufgebrachter Heizwendel. Die Polyimid-Folie, die für eine große Anzahl von Einzelpumpen mit einer einzigen Maske litho¬ graphisch strukturiert wird, übernimmt sowohl die Aufgabe der einzelnen Pump-Membranen als auch der Ventil-Membranen. Auf die Polyimid-Folie wurde mit Verfahren der Dünnschichttechnik eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht, die im Bereich der einzelnen Pumpmembranen zu Heizwendeln strukturiert wurde. Die Kontaktflächen für den elektrischen Anschluß der Heizwen¬ deln lagen dabei jeweils außerhalb der Pumpmembrane. Der Her- stellungsprozess der strukturierten Polyimid-Folie und der Heizwendeln soll nun am Beispiel der hergestellten Pumpen nä¬ her erleutert werden (siehe Figur 8) . Als Trägersubstrat für die Dünnfilm-Prozesse wurde eine Siliziumscheibe Wafer mit ei¬ nem Durchmesser von 100mm verwendet. Da die Folie nach der er¬ sten Verklebung vom Wafer getrennt werden muß, wurde eine dünne Gold-Trennschicht 27 auf den Wafer aufgesputtert Figur 8a. Ein Rand 33 von 5 mm wurde dabei während des Sputterpro- zesses rund um den Wafer herum abgedeckt, um dort die Haftung des Polyimid zum Silizium-Substrat beizubehalten und dadurch ein vorzeitiges Ablösen der Polyimid-Folie vom Wafer zu ver¬ hindern. Anschießend (Figur 8b) wurde eine Polyimid-Schicht 28 des fotostrukturierbaren Polyimides Probimide 408 von CIBA- GEIGY mit einer Lackschleuder auf eine Dicke von 3 μm aufge¬ schleudert und in einem Temperschritt getrocknet. Die getrock¬ nete Lackschicht wurde anschließend im Kontaktverfahren mit UV-Licht 34 belichtet. Da das verwendete Polyimid ein Nega¬ tivlack ist, sorgte die dazu verwendete Chrom-Maske 29 für eine Belichtung der Bereiche, in denen eine Polyimid-Folie er¬ halten bleiben sollte, und für eine Abdeckung der Bereiche, die bei der Entwicklung herausgelöst werden sollten. Letztere sind die Löcher der Ventile 15 und verschiedene Justiermarken. Es folgte die Entwicklung des Polyimides und ein Postbake im Vakuumofen Figur 8c. Nach der Strukturierung des Polyimids wurde eine Titan-Schicht 30 durch Magnetronzerstäubung in einer Dicke von 2 μm aufge¬ bracht. , um daraus Heizwendeln 15 zu strukturieren, die eine gute Haftung zum Polyimid besitzen. Die Titan-Schicht 30 wurde lithographisch durch den Positivlack AZ4210 und durch einen anschließenden Ätzprozeß in einer flußsäurehaltigen Lösung strukturiert. Die Belichtung des verwendeteten Photolacks wurde dabei justiert anhand der Justiermarken in der Polyimid- Schicht und anhand von Justiermarken auf der Maske zur Struk¬ turierung der Titan-Schicht vorgenommen. Figur 8e zeigt den auf dem Hilfssubstrat befindlichen fertigen Membranaufbau.
Bei der Herstellung der Titanschicht wurden die Sputterparame- ter (Temperatur, Biasspannung, Gasfluß und die das Plasma er¬ zeugende elektrische Leistung) so eingestellt, daß sich eine innnere Zugspannung im Titan ausbildete. Die Heizwendeln stan¬ den deshalb nach der Titanschicht ebenfalls unter Zugspannung. Nach der Ablösung des Verbundes von Heizwendeln 4 und Polyi- midmembran 3 von der Siliziumscheibe 26 zog sich das Titan, welches einen sehr viel höheren Elastizitätsmodul als Polyimid hat, mitsamt der Polyimid-Folie zusammen. Die Polyimid-Folie wurde dabei gestaucht. Durch die Formgebung der aufgebrachten Heizwendeln wurde erreicht, daß die Pumpenmembran nicht nur zugspannungsfrei war, sondern schlaff durchhing. Für die Aus¬ lenkung einer solchen schlaffen Pumpenmembran braucht fast keine Energie aufgewendet zu werden. Gestaltet man die Heizwendel als Doppelspirale, so führt die Spannungreduzierung der Heizspirale nach dem Loslösen vom Substrat zur Reduzierung ihrer Länge, was nach geometrischen Gesetzen dazu führt, daß die innnen gelegenen Bereiche der Polyimid-Membrane eine im Verhältnis zu den elastischen Materialdehnungen große radiale Verschiebung zum Zentrum hin erfahren. Diese Verschiebung führt zur Wölbung der Membrane. Eine Wölbung einer Membrane läßt sich auch erreichen, indem beliebige andere Strukturen tangentialer Orientierung um die Membran herum oder in der Membran angebracht sind. Bei den Strukturen kann es sich um geschlossene oder unterbrochene Kreise, um geschlossene oder unterbrochene Polygonzüge oder spiralförmig angeordnete ge¬ schlossene oder unterbrochene Polygonzüge handeln.
Die direkt auf die Heizwendel aufgebrachte Heizwendel hat zwei wesentliche Vorteile. Zum einen ist der Wärmeübergang auf das Pumpengehäuse in der Aufheizphase minimiert. Zum zweiten wird bei Verwendung einer niedrig siedenden Flüssigkeit als Aktor¬ medium die Rekondensation des Aktormediums durch das ge¬ förderte Medium an der Stelle der Heizwendel eingeleitet. Da¬ durch wird erreicht, daß am Beginn der nächsten Aufheizphase die Heizwendel in optimalem Wärmekontakt mit der Aktorflüs¬ sigkeit steht.
Anstelle von Polyimid als Membranmaterial können auch andere Kunststoffe oder Metalle verwendet werden, wobei bei Metall¬ membranen eine zusätzliche elektrisch isolierende Schicht zwi¬ schen Membrane und Heizwendel vorzusehen ist.
Zusammenbau der Mikropumpen
Die so fertiggestellten Einzelkomponenten Pumpgehäuseoberteil, Pumpgehäuseunterteil und Polyimid-Membrane mit Titan-Heizwen¬ deln konnten auf Fehler untersucht werden und standen nun zur Verklebung bereit. Die drei Einzelkomponenten wurden durch zwei Klebevorgänge (Figur 7) der beschriebenen Art miteinander verklebt. Dazu wurde eine einfache Vorrichtung 35 geschaffen, in die die Klebepartner eingelegt, zueinander justiert und an¬ schießend gegeneinander verspannt wurden. Im ersten Klebevor¬ gang wurde die auf dem Silizium-Substrat 26 befindliche Poly¬ imid-Folie mit dem Pumpgehäuse-Oberteil 1, welches u.a. die Aktorkammer und sämtliche Pumpen-Anschlüsse enthält, verklebt (Figur 7a-c) . Um noch eine weitere Spannungsreduzierung in den freien Membranbereichen der Mikropumpen zu erhalten, wurden Justierung, Verspannung und Klebstoff-Befüllung bei etwa 100° C vorgenommen. Da die Pumpengehäuse aus PSU bzw. PVDF einen sehr viel höheren Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten als das Silizium-Substrat haben, wurden schon die lateralen 'Abmessungen der Klebepartner so aufeinander abgestimmt, daß O 95/201
- 16 - sie erst nach einer gemeinsamen Erwärmung auf 100° C vollkom¬ men paßgenau sind. Bei Raumtemperatur sind die Struktur-Abmes¬ sungen der Membrane und der Heizwendeln auf dem Substrat 26 größer als die korrespondierenden Abmessungen der Pumpenge¬ häuse. Kühlen die Klebepartner nach erfolgter Verkebung wieder auf Raumtemperatur ab, dann sorgt die Kontraktion der Kunst¬ stoff- Pumpgehäuse für eine Stauchung der Membranen.
Nach einer vollständigen Aushärtung der Verklebung bei 150 °C wurden der Wafer mit dem zusammenhängenden, aufgeklebten Pum- pengehäuseoberteil 1 der Verspannvorrichung 35 entnommen und die Polyimid-Folie rund um das rechteckige Kunststoffteil ein¬ geschnitten. Mit fortschreitendender Abkühlung löste sich die Polyimid-Folie vom eingeschnittenen Rand beginnend und unter¬ stützt durch die abkühlungsbedingte Kontraktion des Kunst- stoffteils l selbständig von der Siliziumscheibe (Figur 7d) .
Im zweiten Klebeschritt wurde schließlich noch in gleicher Weise das Pumpgehäuse-Unterteil 2 mit der Membran-Seite ver¬ klebt (Figur 7e und 7f) . Um die Pumpen in Betrieb zu nehmen, wurden die notwendigen elektrischen und fluidischen Anschlüsse angebracht und die Pumpen vereinzelt.
Die Pumpen wurden mit einer elektrischen Spannung von 15 V und einer Frequenz von 3 Hz betrieben. Die Spannung wurde für je¬ weils 58 ms angelegt. Die durchschnittlich zugeführte Leistung betrug 0.27 W. Es wurde eine Förderrate für Luft von 26 ml/min gemessen. Deutlich konnte dabei die Auslenkung der Pumpmembran 3 bis an den Boden der Pumpkammer 16 mit dem bloßen Auge er¬ kannt werden und das mit der Bewegung der Pumpmembrane syn¬ chronisierte Öffnen und Schließen der Ventilmembranen im Mi¬ kroskop beobeachtet werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Mikromembranpumpe bestehend aus einem Pumpgehäuse-Oberteil, einem Pumpgehäuse-Unterteil, zwischen diesen beiden Teilen angeordneten Membranen, welche zusammen eine Pumpkammer, zwei Ventile und Strömungskanäle bilden, wobei die Membrane im Bereich einer Pumpkammer eine Pumpmembran bildet und Mem¬ branen im Bereich der Ventile jeweils einen Teil der Ventil¬ funktion übernehmen und einem Antrieb für die Pumpmembran, gekennzeichnet durch ein Heizelement (4) , welches mit der Pumpmembran (3) verbunden ist.
2. Mikromembranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) eine elektrisch beheizbare Heizwen¬ del ist.
3. Mikromembranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Pumpenmembran und die Ventilmembranen Teile einer einzigen zusammenhängenden Struktur sind.
4. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile aus Ventilsitzen (10, 14), welche in die beiden Pumpgehäuseteile (1, 2) hineinstruktu¬ riert sind und aus Löchern (11, 15) in der Membrane gebildet werden.
5. Verfahren zur Herstellung von Mikromembranpumpen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die beiden Pumpgehäuseteile je¬ weils ein oder mehrere miteinander verbundene Grabensysteme aufweisen, welche zur Membrane hin offen sind, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Justieren eines oder beider Pumpgehäuseteile (1, 2) und der Membrane (3) und Zusammenpressen der justierten Teile derart, daß aus den Grabensystemen und der Mem¬ brane zusammenhängende, in sich dichte Hohlraumsysteme entstehen und b) vollständiges Befüllen der Hohlraumsysteme mit einem Klebstoff.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß meh¬ rere Pumpen gleichzeitig hergestellt werden.
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