DE3621332C2 - - Google Patents

Description

Es wird seit längerem versucht, mechanische Funktionselemente zu miniaturisieren, insbesondere solche, die in Hybridtechnik gemeinsam mit bereits hoch miniaturisierbaren elektrischen und elektronischen Komponenten verwendet werden.

Auf diesem Gebiet der sogenannten Mikromechanik werden bereits winzige mechanische Funktionselemente, wie Ventile, Beschleunigungsmesser usw. hergestellt. Ausgangsmaterial ist insbesondere monokristallines Silizium, aus dem diese Funktionselemente durch isotropes und anisotropes Ätzen sowie durch aus der Halbleiter-Fertigung bekannte Techniken hergestellt werden; vgl. etwa den Forschungsbericht T 84-209 des Bundesministeriums für Forschung und Technologie vom September 1984, Seiten 209 ff.

In diesem Forschungsbericht ist auch ein Mikroventil beschrieben, das aus einem Siliziumeinkristall hergestellt ist. Auf dessen ebener (100)- oder (110)-Oberfläche ist eine p⁺-Epitaxieschicht aufgewachsen, der eine n-Distanzschicht und eine strukturbildende p⁺-Oberflächenschicht folgen. Aus dieser Oberflächenschicht ist ein scheibenförmiger Verschlußkörper mit zwei dünnen Spiralarmen herausgeätzt, die mit dem Rand der Ventilkammer verbunden sind, der durch den Strukturrand des Siliziumsubstrates gebildet wird. Der scheibenförmige Verschlußkörper, im folgenden Ventilscheibe genannt, ist somit federnd und senkrecht zur Scheibenebene leicht beweglich. Aus der n-Distanzschicht ist unterhalb der Ventilscheibe und der Spiralarme die Ventilkammer herausgeätzt, die bis zur p⁺-Epitaxieschicht reicht. Am Boden dieser Ventilkammer ist eine durch die p⁺-Epitaxieschicht reichende Ventilöffnung vorgesehen, die in einen durch den Siliziumeinkristall hindurchgehenden Ätzkanal führt. Die Begrenzungswände dieses Ätzkanales fallen mit den (111)-Kristallebenen zusammen.

Für die Herstellung dieses Mikroventils ist eine komplizierte Ätztechnik erforderlich, wobei insbesondere die Unterätzung der Ventilscheibe mehrere Schritte erfordert.

Dieses bekannte Mikroventil wird elektrisch angesteuert, indem bei offenem Mikroventil zwischen Ventilscheibe und einer Gegenelektrode an der Ventilöffnung eine elektrische Spannung angelegt wird, die je nach Wahl der Geometrie des Mikroventiles zwischen 3 und etwa 100 Volt liegt. In dem so erzeugten elektrostatischen Feld bewegt sich die Ventilscheibe in Richtung auf die Ventilöffnung und verschließt diese. Das Mikroventil ist damit geschlossen. Wird die elektrische Spannung weggenommen, so kehrt die Ventilscheibe aufgrund der Elastizität der federnden Spiralarme in die Ausgangsposition zurück.

Die bei der geschilderten elektrischen Ansteuerung erzielbaren Kräfte sind aber relativ gering. Außerdem versagt dieses Prinzip in Gegenwart von leitfähigen Flüssigkeiten, da hier interne Kurzschlüsse auftreten können.

Aus der DE-OS 26 38 879 ist ein Rückschlagventil bekannt, das in eine pneumatische Anlage eines Kraftfahrzeuges eingebaut wird. Zwischen die Ober- und Unterschale eines Kunststoffgehäuses ist eine mit einer Dichtfläche versehene Membran als Verschlußkörper eingesetzt, die mit einem ringförmigen Magnetpol versehen ist, dem auf Seiten des Gehäuses ein Dauermagnet zugeordnet ist. Der Dauermagnet mit dem zugehörigen Magnetpol dient im wesentlichen dazu, das Rückschlagventil sicher in der geschlossenen Position zu halten; eine Steuerung des Ventiles ist nicht möglich. Auch wenn dieses Rückschlagventil kleiner gebaut ist als sonstige in pneumatischen Anlagen von Kraftfahrzeugen verwendete Ventile, so kann ein solches Ventil nicht als Mikroventil bezeichnet werden.

Aus der US-PS 41 96 751 ist ein steuerbares Ventil bekannt, das in Fluidsystemen z. B. zu Regelzwecken verwendet werden kann. In dem Ventil ist eine Ventilkammer vorgesehen, in der eine magnetische Ventilscheibe als Verschlußkörper angeordnet ist, die über federnde Elemente mit dem Rand der Ventilkammer verbunden ist. Eine in das Gehäuse einschraubbare Elektromagnetspule bewegt die Ventilscheibe in zwei unterschiedliche Stellungen, in denen sie eine Ventilöffnung im Boden der Ventilkammer verschließt bzw. freigibt. Dieses Ventil ist aus herkömmlichen Materialien in herkömmlicher Technik aufgebaut, kann somit nicht als Mikroventil bezeichnet und verwendet werden. Diese herkömmliche Konstruktion erfordert einen erheblichen Fertigungsaufwand, so z. B. hinsichtlich der Ventilscheibe, die aus vier unterschiedlichen Schichten aufgebaut ist, wovon eine als Magnetanker für die Elektrospule dient, oder hinsichtlich des Einbaus der Elektrospule in das Ventilgehäuse.

Aus der US-PS 40 89 348 ist ein Zungenventil bekannt, dessen Verschlußkörper als einseitig eingespannte federnde Zunge ausgebildet ist. Ein solches Zungenventil kann z. B. in Rohrleitungen als Rückschlagventil eingebaut werden. Um ein sicheres Schließen dieses Ventiles zu gewährleisten, das auch nicht durch Wirbel in der angrenzenden Strömung gefährdet wird, wird gemäß dieser Patentschrift vorgeschlagen, die Zunge aus magnetischem Material auszubilden und diese in ihrer geschlossenen Lage mit Hilfe einer Elektromagnetspule zu halten. Eine Steuerung dieses Ventiles ist somit nicht möglich. Auch werden durch diesen Aufbau der Miniaturisierung Grenzen gesetzt.

Aus der DE-OS 22 46 624 ist ein herkömmliches elektromagnetisch betätigtes Mambranventil für Kraftstoffeinspritzanlagen beschrieben. Dieses Ventil ist ein Doppelventil, wobei die Einzelventile ähnlich wie bei der oben angegebenen US-PS 41 96 751 aufgebaut sind. Jedes Ventil weist somit eine Ventilkammer mit einem an deren Boden angeordneten Ventilsitz mit einer Ventilableitung auf, über die eine elastische Membran als Verschlußkörper gespannt ist, die mit Hilfe eines Elektromagneten den Ventilsitz öffnet bzw. freigibt. Auch bei dieser herkömmlichen Technik ist eine Miniaturisierung nur in beschränktem Umfange möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroventil der in Rede stehenden Art in mikromechanischer Ausfertigung anzugeben, das einfach herzustellen ist und mit dem hohe Stellkräfte für die Ventilscheibe erzielbar sind.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß ist die Ventilkammer aus einem plättchenförmigen Substrat durch anisotropes Ätzen herausgearbeitet, wonach anschließend die Ventilscheibe mit ihren federnden Elementen aus einer Folie herausgeformt und als separates Bauteil auf das Substrat oberhalb der Ventilkammer montiert ist. Die Elektromagnetspule zur Betätigung der Ventilscheibe ist im Bereich des Bodens der Ventilkammer angeordnet, kann hierbei bevorzugt als Metallisierung des Substrates oder durch Dotierung des Halbleitermateriales in Form einer Flachspule ausgebildet werden.

Durch die an und für sich bekannte Ausgestaltung der Ventilscheibe als separates Bauteil wird für die mikromechanische Herstellung eine wesentliche Vereinfachung erzielt, da das bei bekannten Mikroventilen notwendige Unterätzen der Ventilscheibe in mehreren Schritten entfällt. Außerdem kann durch diesen Aufbau die Ventilscheibe direkt aus einem magnetischen Material hergestellt sein, ist somit nicht mehr wie ansonsten bei mikromechanischen Mikroventilen Teil des Substratmateriales, so daß durch die hiermit ermöglichte elektromagnetische Ansteuerung hohe Schließkräfte erzielt werden. Zudem ist die Betätigung der Ventilscheibe nahezu unabhängig von der Art des durch das Mikroventil strömenden Mediums, insbesondere davon, ob das Medium elektrisch leitfähig ist oder nicht, da sich interne Kurzschlüsse bei dieser Bauart nicht ausbilden können.

Bevorzugt wird auf die Ventilscheibe eine weichmagnetische Schicht aufgebracht, z. B. eine Nickelschicht, wenn die Ventilscheibe nicht selbst weichmagnetisch ist. Dies kann z. B. durch galvanisches Abscheiden erfolgen.

Die Elektrospule ist bevorzugt auf der der Ventilscheibe abgewandten Rückseite der Ventilkammer angeordnet. Sie ist entweder ein diskretes Bauteil, z. B. eine aus Draht gewickelte Miniaturspule oder eine Flachspule, die direkt auf das Substrat des Mikroventils aufgebracht oder in diesem integriert ist. Die Spule kann durch Metallisierungs- oder Siebdrucktechniken aufgebracht werden. Wird ein Siliziumsubstrat verwendet, so kann die Flachspule etwa durch Ionenimplantation, durch Dotierung mit geeignet leitenden Materialien oder durch eine aufgebrachte entsprechend strukturierte Oberflächenmetallisierung realisiert werden.

Das angegebene Funktionsprinzip kann funktionell und konstruktiv je nach Anwendung und Bedarf modifiziert werden.

Eine Ausführung eines Mikroventiles mit geringem Energie­ verbrauch kann dann erzielt werden, wenn zusätzlich zu der Elektrospule ein Miniaturpermanentmagnet vorgesehen wird, z. B. ein Ringmagnet aus einer Kobalt-Samarium- Legierung. Bei entsprechender Dimensionierung des Ringmagneten und der Ventilscheibe kann eine stromsparende bistabile Funktionsweise erzielt werden: Soll das Mikroventil geschlossen werden, so wird durch die Elektrospule ein Stromimpuls geschickt, durch den das Magnetfeld des Permanentmagneten verstärkt wird. Bei geeigneter Dimensio­ nierung wird die federnd gelagerte Ventilscheibe gegen die Ventilöffnung bewegt und dort in der Endstellung durch den Permanentmagneten gehalten. Die Elektrospule kann jetzt abgeschaltet werden. Durch einen entgegengerichteten Stromstoß durch die Elektrospule wird das Feld des Permanentmagneten so weit abgeschwächt, daß die Ventil­ scheibe sich von der Ventilöffnung abhebt und aufgrund der Elastizität der federnden Elemente in die Ausgangsstellung zurückkehrt.

Zur weiteren Steigerung der Magnetkräfte kann anstelle einer weichmagnetischen Schicht an der Ventilscheibe auch eine hartmagnetische Schicht, z. B. ein Miniatur-Per­ manentmagnet vorgesehen sein.

Die Erfindung kann in Verbindung mit Mikroventilen verwendet werden, die aus einem monokristallinen Sili­ zium-Chip hergestellt werden. Es ist jedoch auch vorteil­ haft, die Erfindung in Verbindung mit Verbundstrukturen zu verwenden. Als Grundkörper dient hierzu z. B. ein Al₂O₃ -Substrat, aus dem die Ventilkammer und die Ventilöffnung in ähnlicher Weise wie oben zum Siliziumsubstrat geschil­ dert hergestellt werden. Die Anbringung der Elektrospule erfolgt in ähnlicher Weise.

Die Ventilscheibe mit den Federarmen wird als separates Bauteil hergestellt, und zwar bevorzugt aus einer dünnen, der erforderlichen Struktur entsprechend durch Ätzen geformten Nickelfolie, die auf die Substratoberfläche aufgelötet wird. Auf diese Struktur kann dann eine Deckschicht montiert werden, in der dann Auslaß- und Verteilerkanäle vorgesehen sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Mikroventil gemäß der Erfindung, das auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat mit Hilfe der Mikromechanik aufgebaut wurde;

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Mikroventiles;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausfüh­ rungsform eines Mikroventils gemäß der Erfin­ dung.

Sämtliche Darstellungen in den Figuren sind nicht maß­ stabsgerecht.

Das in Fig. 1 dargestellte Mikroventil 1 wird aus einem monokristallinen Siliziumsubstrat 2 mit einer (100)- oder (110)- Oberflächenorientierung aufgebaut. Auf der Obersei­ te des Substrates 2 ist eine p⁺-Epitaxialschicht 3 aufgewachsen, aus der mittels herkömmlicher Photo- und Ätztechniken eine Ventilscheibe 4 mit Spiralarmen 5 herausgeätzt sind. Unterhalb der Ventilscheibe und der Spiralarme ist eine Ventilkammer ebenfalls durch Ätzen freigelegt, an deren Boden eine Ventilöffnung 7 unterhalb der Ventilscheibe 4 angeordnet ist. Die Ventilöffnung ist die Mündung eines Ventilkanales 8, der das Siliziumsub­ strat 2 durchstößt und als Ein- oder Auslaßkanal des Mikroventiles 1 dient.

Auf der Oberseite der Ventilscheibe 4 ist eine Schicht 9 aus weichmagnetischem Material aufgebracht, so daß diese gemeinsam mit der Ventilscheibe 4 als Magnetanker einer Elektrospule 10 dient, die auf der Unterseite des Siliziumsubstrates 2 konzentrisch zu dem Ventilkanal 8 angeordnet ist. Diese Spule ist nach einem der oben angegebenen Verfahren hergestellt. Zuleitungen 11 für die Elektrospule an der Unterseite des Substrats 2 sind angedeutet.

Wird die Elektrospule 10 erregt, so wird in dem Magnetfeld der Magnetanker aus Ventilscheibe 4 und Schicht 9 nach unten gezogen, bis die Ventilscheibe 4 auf der Ventilöff­ nung 7 aufliegt und das Mikroventil 1 verschließt. Dieser Zustand ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Wird die Elektrospule entregt, so kehrt die Ventilscheibe 4 aufgrund der Elastizität der Spiralarme in die Ausgangspo­ sition zurück, so daß das Mikroventil 1 wieder offen ist.

Zusätzlich zu der Elektrospule 10 ist noch konzentrisch zu dem Ventilkanal 8 ein ringförmiger Permanentmagnet 12 aus einer CoSm-Legierung angeordnet. Die Stärke dieses Perma­ nentmagneten ist gerade so berechnet, daß die Ventilschei­ be 4 mit der Schicht 9 in der gestrichelt dargestellten Schließstellung des Mikroventiles 1 auch dann festgehal­ ten wird, wenn die Elektrospule 10 entregt ist. Zum Umschalten benötigt man daher nur einen relativ kurzen Stromimpuls für die Elektrospule. Soll das Mikroventil geöffnet werden, so wird ein entgegengerichteter Stromim­ puls durch die Elektrospule geschickt, wodurch das Feld des Permanentmagneten geschwächt wird und die Ventilschei­ be wieder in die Ausgangsposition zurückkehrt.

Zur Erhöhung der Magnetkräfte kann die Schicht 9 auch aus hartmagnetischem Material sein.

Typische Abmessungen des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Mikroventiles 1 sind für die Ventilscheibe ein Durchmesser von ca. 1 mm, für den Durchmesser der Ventilkammer etwa 2,5 mm und für den Silizium-Chip eine Breite von ca. 5 mm.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch ein Mikroventil 1 a dargestellt, das als Verbundkonstruktion aufgebaut ist. Die Geometrie dieses Mikroventiles 1 a entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Ventil. Ausgangsmaterial für das Mikroventil 1 a ist ein Al₂O₃-Substrat 2 a, in das eine Ventilkammer 6 a sowie ein Ventilkanal 8 a mit einer am Boden der Ventilkammer 6 a mündenden Ventilöffnung 7 a eingeätzt sind. Auf der Unterseite des Substrates 2 a sind wiederum eine Elektrospule 10 a mit Zuleitungen 11 a und gegebenenfalls noch ein ringförmiger Permanentmagnet 12 a in der gleichen Weise wie bei dem vorigen Mikroventil angeordnet.

Die Ventilscheibe 4 a mit den Spiralarmen 5 a ist aus einer Nickelfolie 3 a herausgeätzt, wonach die Nickelfolie 3 a auf das Substrat 2 a aufgelötet ist; eine Lotschicht 13 a ist schematisch angedeutet.

Die Ober- und Unterseite dieses Mikroventiles 1 a sind durch Deckplatten 14 a bzw. 15 a aus Glas, Kunstglas oder dergleichen abgedeckt, wobei in diesen Deckplatten Vertei­ lerräume und Ein- und Auslaßkanäle 16 a vorgesehen sind.

In der Fig. 3 ist gestrichelt eine Elektrospule 10′ dargestellt, die am Boden der Ventilkammer 6 a angeordnet ist. Diese Elektrospule kann die Elektrospule 10 a erset­ zen.

Die beschriebenen Mikroventile können leicht modifiziert bei periodischer Ansteuerung auch als Mikropumpen einge­ setzt werden; ebenso ist das beschriebene Betäti­ gungsprinzip für andere mechanische Funktionselemente anwendbar.

Claims (10)

1. Mikroventil mit einer Ventilkammer und einer magnetischen Ventilscheibe als Verschlußkörper, die über federnde Elemente mit dem Rand der Ventilkammer verbunden ist, sowie mit einer Elektromagnetspule, die die Ventilscheibe in zwei unterschiedliche Stellungen bewegt, in denen sie eine Ventilöffnung im Boden der Ventilkammer verschließt bzw. freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (6) aus einem plättchenförmigen Substrat (2) durch anisotropes Ätzen herausgearbeitet ist, daß die Ventilscheibe (4) mit ihren federnden Elementen (5) aus einer Folie (3) herausgeformt und als separates Bauteil auf das Substrat (2) oberhalb der Ventilkammer (6) montiert ist, und daß die Elektromagnetspule (10) im Bereich des Bodens der Ventilkammer (6) angeordnet ist.

2. Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnetspule (10) auf der der Ventilscheibe (4) gegenüberliegenden Rückseite des plättchenförmigen Substrates (2) angeordnet ist.

3. Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnetspule (10) die Ventilöffnung (8) im Boden der Ventilkammer (6) umringt.

4. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnetspule (10) eine als Metallisierung des Substrates (12) gebildete Flachspule ist.

5. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Halbleitersubstrates (2) die Elektromagnetspule (10′) durch Dotierung des Halbleitermateriales in Form einer Flachspule gebildet ist.

6. Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Elektromagnetspule (10) im Bereich der Ventilöffnung (7) ein Permanentmagnet (12) als Haltemagnet für die Ventilscheibe (4) vorgesehen ist.

7. Mikroventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet ein Ringmagnet (12) ist, der die Ventilöffnung (7) konzentrisch umgibt und seinerseits von der Elektromagnetspule (10) umringt ist.

8. Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilscheibe (4) mit einer magnetischen Schicht (9) aus weich- oder hartmagnetischem Material versehen ist.

9. Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Siliziumsubstrat (2) ist.

10. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Al₂O₃-Substrat (2 a) ist.