DE3802545A1

DE3802545A1 - Mikropumpe zur foerderung kleinster gasmengen

Info

Publication number: DE3802545A1
Application number: DE19883802545
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr Benecke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1988-01-28
Filing date: 1988-01-28
Publication date: 1989-08-10
Also published as: DE3802545C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe zur Förderung kleinster Gasmengen nach dem Prinzip der Wärmeausdehnung des Pumpgases.

Die Förderung kleinster Gasmengen ist in der Medizin technik, z.B. für die Förderung von Narkosegasen und in der Analytik, z.B. für die Gaschromatographie oder für die Kontrolle der Luftverschmutzung, notwendig. Für bestimmte Anwendungsfälle sollten die äußeren Abmessun gen der Pumpe möglichst klein sein. So existieren Gaschromatographen, die mit Hilfe der Mikromechanik auf einem Silizium-Wafer integriert werden. Sie müssen allerdings mit externen Pumpen betrieben werden, da bisher keine ausreichend miniaturisierten Pumpen bekannt sind.

Schwierigkeiten kleinste Pumpen herzustellen bereiten vor allem die beweglichen Teile. Eine Möglichkeit, die Anzahl der beweglichen Teile auf ein Minimum zu reduzie ren bietet eine Pumpe nach dem Prinzip der Wärmeausdeh nung des Pumpgases, wie sie in der US-Patentschrift US 38 98 017 beschrieben ist.

Kleinste mechanisch bewegliche Bauteile werden heute mit Hilfe der Mikromechanik gefertigt. In den Offenlegungs schriften DE 36 21 331 und DE 36 21 332 werden mikrome chanisch hergestellte Ventile beschrieben.

In diesen Schriften ist zwar die Weiterentwicklung zu einer elektrostatisch betriebenen Mikromembranpumpe erwähnt, jedoch fehlt jeglicher Hinweis, wie mit Hilfe einer oszillierenden Ventilplatte eine Pumpwirkung erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikro pumpe anzugeben, die wesentlich kleinere Ausmaße be sitzt, als dies bei mechanisch oder feinmechanisch gefertigten Pumpen der Fall ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Diese Aufgabe wird durch eine Mikropumpe gelöst, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 5 gekennzeichnet ist, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe nach den Ansprüchen 6 bis 8.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 können die mecha nisch aktiven Komponenten durch Ätzverfahren an der Wafervorder- und -rückseite hergestellt werden, wie dies für einzelne Ventilplatten in den Offenlegungsschriften DE 36 21 331 und DE 36 21 332 gezeigt ist. Der Heizwi derstand kann nach diesem Anspruch in einem Zwischen schritt in der Vertiefung des Chips (2) integriert werden.

Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 3 und 4 kommen durch die Verwendung der gebräuchlichsten Materialien den Verfahren der Mikromechanik noch weiter entgegen. Besonders vorteilhafte Maßnahmen sind in Anspruch 4 gekennzeichnet, weil damit eine günstige Geometrie des Pumpenraums durch die Wahl der Orientierung des Wafers erreicht werden kann. Die federnde Aufhängung der Ventilplatten kann nach Anspruch 5 gleichzeitig mit den Ventilplatten in denselben Arbeitsschritten hergestellt werden.

Durch das kleine Pumpvolumen wird die Förderung präzise definierter kleiner Gasmengen erreicht. Für bestimmte Anwendungen ist die Mikropumpe sowohl zur Hintereinan derschaltung als auch zur Parallelschaltung geeignet. Mehrere solcher Pumpen können gleichzeitig auf demselben Wafer hergestellt werden. Die Mikropumpe kann aber auch mit anderen mikromechanisch hergestellten Komponenten (z.B. Gaschromatograph) oder mit elektronischen Kompo nenten, z.B. zur Steuerung des Heizwiderstandes, auf einem Chip integriert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Benutzung der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Zur besseren Veranschaulichung sind die Zeichnungen nicht maßstabgetreu.

Es zeigen

Fig. 1 Einen Querschnitt durch eine Mikropumpe.

Fig. 2 Eine schematische Darstellung des Ablaufes des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein Mikroventil.

Die in Fig. 1 dargestellte Mikropumpe zur Förderung kleinster Gasmengen weist einen Pumpenraum (11), ein Einlaßventil, gebildet aus der Ventilplatte (4) und der Ventilfläche (19), ein Auslaßventil, gebildet aus der Ventilplatte (3) und der Ventilfläche (7), und einen Heizwiderstand (10) auf.

Die Höhe des Pumpenraumes entspricht der Waferdicke von einigen hundert Mikrometern. Die Abstände der beweglich aufgehängten Ventilplatten von den Ventilflächen betra gen einige Mikrometer. Die Gesamtfläche der Pumpe weist ungefähr 1 mm² auf.

Durch Einschalten des Heizwiderstandes (10) erwärmt sich das Gas im Pumpenraum (11). Wegen der damit verbundenen Druckerhöhung im Pumpenraum wird die Ventilplatte 4 gegen die Ventilfläche (19) gedrückt, so daß die Ventil öffnung (8) verschlossen wird. Gleichzeitig wird durch den erhöhten Druck die Ventilplatte (3) von der Ventil fläche (7) weggedrückt und das Gas strömt durch die Ventilöffnung (6) aus dem Pumpenraum.

Beim Ausschalten des Heizwiderstandes (10) verringert sich der Druck im Pumpenraum (11), die Ventilplatte (3) wird gegen die Ventilfläche (7) gedrückt und schließt damit die Ventilöffnung (6), die Ventilplatte (4) wird von der Ventilfläche (19) weggedrückt und Gas strömt durch die Öffnung (8) in den Pumpenraum.

Durch periodisches Ein- und Ausschalten des Heizwider standes entsteht so ein Gasfluß durch die Ventilöffnung (8) in Richtung der Ventilöffnung (6).

Die oben beschriebene Mikropumpe ist nach den Ansprüchen 5 bis 8 durch Verfahrensschritte der Mikromechanik herstellbar, die schematisch in Fig. 2 dargestellt sind. Das Ausgangsmaterial in (A) besteht aus einem Silizium- Wafer (12) in (100) - Orientierung, dessen Vorderseite (V) zur Herstellung der Ventilfläche (7) und der Ventil öffnung (6) in lokalen Bereichen (13) mit hoher Konzen tration (1 × 10²⁰cm^-3) dotiert wird. (B)

Zur Wahrung des Abstandes im drucklosen Zustand zwischen Ventilplatte (3) und Ventilfläche (7) wird epitaktisch auf der Wafervorderseite eine niedrig-Bor-dotierte Distanzschicht (14) mit einer Dicke von einigen Mikro metern abgeschieden. Auf Wafervorder- und -rückseite wird je eine hoch-Bor-dotierte Schicht (15, 16) mit einer Dicke von einigen Mikrometern abgeschieden, die das Material für die Ventilplatten (3, 4) und die Arme (5) zu den federnden Halterungen darstellen. Beidseitig wird der Wafer zum Schutze gegen die Ätzlösungen mit passi vierenden Schichten (17, 18) überzogen. (C)

Unter Verwendung photolithographischer Verfahren werden auf Wafervorder- und -rückseite die Strukturen der Ventilplatten (3, 4) und der Arme (5) definiert und an den entsprechenden Stellen die Passivierungsschichten entfernt. In einem isotropen Ätzverfahren werden aus den hoch-Bor-dotierten Schichten die Strukturen der Ventil platten (3, 4) und der Arme (5) freigeätzt. Mit einem anisotropen Ätzverfahren, das die hoch-Bor-dotierten Bereiche nicht angreift, werden die Ventilplatten und die Arme unterätzt und freigelegt und der Pumpenraum (11) herausgebildet. (D)

Auf einem zweiten Substrat (2) wird mit Hilfe der Photolithographie die Struktur der Vertiefung (9) und der Ventilöffnung (8) definiert und anschließend aus dem Substrat geätzt. In der Vertiefung wird eine Wider standsstruktur (10) aufgebracht und schließlich werden, nach Entfernung der Passivierungsschichten von Chip (1), beide Chips beispielsweise mit anodischer Verbindungs technik aneinandergefügt. Dabei werden das Silizium- und das Glas-Substrat aneinandergepreßt, auf 400°C bis 500°C erwärmt und eine Spannung von etwa 1 kV angelegt. Dadurch entsteht eine sehr feste Verbindung der beiden Substrate. Für die Verbindung der beiden Substrate (1), (2) eignen sich auch Klebetechniken, eutektische Zwi schenschichten oder niedrig schmelzende Gläser.

Claims

1. Mikropumpe zur Förderung kleinster Gasmengen nach dem Prinzip der Wärmeausdehnung des Pumpgases, mit einem Pumpenraum, einem Einlaßventil, einem Auslaßventil und einem Heizer, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenraum (11) im Volumen eines Halbleiter-Chips ausgebildet ist, und zu den Chip-Oberflächen hin in Ventilöffnungen (6, 8) einmün det, und daß an den Ventilöffnungen Ventilflächen (7, 19) angebracht sind, die zusammen mit in geringen Abständen federnd aufgehängten Ventilplatten (3, 4) Ein- beziehungsweise Auslaßventil bilden.

2. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikropumpe aus zwei miteinander verbundenen Chips (1, 2) aufgebaut ist, wobei alle mechanisch aktiven Komponenten monolithisch in einem Chip (1) integriert sind und der Abstand zwischen Ventilplatte (3) und Ventilfläche (7) des Auslaßventils durch eine Distanzschicht (14) und der Abstand zwischen Ventil platte (4) und Ventilfläche (19) des Einlaßventils durch eine Vertiefung (9) im Chip (2) gebildet wird, und daß der Heizer als Heizwiderstand (10) in der Vertiefung ausgebildet ist.

3. Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (1) aus Silizium und der Chip (2) aus Silizium oder Glas besteht.

4. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial ein Silizium-Wafer in (100)-Orientierung Verwendung findet und daß die seitlichen Begrenzungen des Pumpenraumes durch (111)- Ebenen des Silizium-Wafers gebildet werden.

5. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Aufhängungen der Ventilplatten in Form von Silizium-Armen (5) ausgebildet sind.

6. Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenraum und alle mechanisch aktiven Komponenten durch anisotrope bzw. isotrope Ätzschrit te hergestellt werden.

7. Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen der Pumpen-Komponenten durch planare Lithographieprozesse definiert werden.

8. Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe nach Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

A. Ein Silizium-Wafer in (100)-Orientierung (12),
B. wird auf der Vorderseite (V) in lokalen Bereichen (13) mit Bor in einer hohen Konzentration ( 1 · 10²⁰ cm^-3) dotiert,
C. darüber wird epitaktisch eine niedrig-Bor-dotierte Distanzschicht (14) und auf Vorder- und Rückseite je eine hoch-Bor-dotierte Schicht (15, 16) abgeschieden, auf die je eine passivierende Schicht (17, 18; z. B. aus Silizium-Nitrid) aufgebracht wird,
D. unter Verwendung photolithographische Verfahren werden Wafer-Vorder- und Wafer-Rückseite strukturiert, die Passivierungsschichten an den entsprechenden Stellen weggeätzt, dann werden in einem isotropen Ätzschritt aus den hoch-Bor-dotierten und in einem anisotropen Ätzschritt aus den niedrig-Bor-dotierten Schichten und dem Wafer-Volumen definierte Bereiche entfernt,
E. die Passivierungsschichten werden entfernt und auf einem zweiten Substrat (2) werden mit Hilfe der Photolithographie die Oberflächen strukturiert und definierte Bereiche aus dem Substrat geätzt, anschließend wird eine Widerstandsstruktur (10) aufgebracht und schließlich werden die beiden Chips beispielsweise mit anodischer Verbindungstechnik aneinandergefügt.