DE19534137A1 - Mikro-Ventilanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Mikroventil für Flüssigkeiten und Gase.

In der Technik sind Mikroventile bekannt, die aus mehreren Materialschichten aufgebaut und mit Ferti­ gungsmethoden der Halbleitertechnologie auf der Ba­ sis von Silizium hergestellt sind. Solche Ventil­ strukturen enthalten in der Regel einen den Strö­ mungskanalquerschnitt konzentrisch umfassenden, meist ringförmigen Ventilsitz, auf dem eine elasti­ sche Membran aufliegt und so den Strömungskanal verschließt. Wird die Membran durch eine geeignete Antriebseinrichtung vom Ventilsitz wegbewegt, bil­ det sich zwischen Ventilsitz und Membran ein Ringspalt aus, der eine Durchströmung gewährlei­ stet; das Ventil ist geöffnet.

Da der Strömungskanal vom Ventilsitz umschlossen ist, muß er zwingend durch den Siliziumwafer hin­ durch verlaufen, das heißt Ein- und Auslaßöffnung des Kanalabschnittes im Wafer befinden sich auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Wafers. Daraus folgt, daß auch an der dem Ventilsitz gegen­ überliegenden, meist unteren Seite eine den Kanal umschließende Abdeckschicht, etwa eine Glasfolie, angebracht werden muß. Nachteilig bei diesen Ven­ tilstrukturen ist demnach, daß eine zweiseitige Be­ arbeitung des Wafers sowie ein zusätzlicher Füge­ prozeß für die Glasmembran erforderlich sind, wo­ raus sich ein relativ hoher Fertigungsaufwand und hohe Herstellungskosten ergeben. Weiterhin ist nachteilig, daß die konzeptionell beanspruchte Rückseite des Siliziumwafers nicht für die Integra­ tion anderer Funktionsgruppen verwendet werden kann, so daß die erzielbare Packungsdichte einge­ schränkt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Mikro­ ventil zu schaffen, das von einer Waferseite her definiert und somit durch einseitige Bearbeitung des Wafers herstellbar ist, das aufgrund seines raumsparenden Aufbaus gut integrierbar ist, das un­ kompliziert aufgebaut, in einer geringen Anzahl von Prozeßschritten herstellbar ist und ein sicheres Schließen und Öffnen des Strömungsweges gewährlei­ stet.

Die Aufgabe wird mit einer Mikro-Ventilanordnung, die im wesentlichen besteht aus einem Abschnitt ei­ nes Strömungskanals, einem Ventilsitz, einem Ven­ tilkörper, der bei Aufliegen auf dem Ventilsitz den Strömungskanal verschließt, und einem mikromechani­ schen Antrieb für die Bewegung des Ventilkörpers, dadurch gelöst, daß in die Oberfläche einer ebenen Materialschicht zwei nebeneinanderliegende, durch einen Steg mit geringer Breite voneinander ge­ trennte und etwa gleich große Vertiefungen eingear­ beitet sind. Die Oberfläche der Materialschicht ist zumindest über die Vertiefungen und deren Randbe­ reiche hinweg mit einer elastischen Membran so überdeckt, daß jede Vertiefung eine geschlossene Kammer darstellt. Die Membran ist an den Randberei­ chen der Vertiefungen, d. h. umlaufend um die Vertiefungen, nicht jedoch im Bereich des Steges, hermetisch mit der Materialschicht verbunden. Durch die lose Auflage der Membran auf die Material­ schicht im Bereich des Steges ist die Membran über dem Steg um einen geringen Betrag abhebbar. An die­ ser Position ist die Membran mit dem mikromechani­ schen Antrieb verbunden. Jede der beiden unter der Membran als Kammern eingeschlossenen Vertiefungen ist über einen Strömungskanal von außen zugänglich.

Als Halbleiterschicht sollte vorteilhafterweise (100)-orientiertes Silizium vorgesehen sein.

Die Membran kann aus einer Glasfolie bestehen, die durch anodisches Bonden auf der Siliziumschicht be­ festigt ist, wobei die Bondung auf der Stegoberflä­ che durch geeignete Maßnahmen, z. B. durch eine lokale Siliziumoxid-Schicht, verhindert werden sollte.

Als mikromechanischer Antrieb kann ein Piezoelement vorgesehen und mit der Membran zu einer Bimorph-Struktur verbunden sein.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles erläutert werden. In den zugehöri­ gen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch das Mikroventil im geschlossenen Zustand,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Mikroventil im geöffneten Zustand,

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Mikroventil.

In Fig. 1 sind in die Oberfläche einer ebenen Halbleiterschicht 1, vorteilhafterweise (100)-ori­ entiertes Silizium, zwei nebeneinanderliegende, durch einen Steg 2 voneinander getrennte Vertiefun­ gen 3, 4 eingearbeitet. Der Steg 2 hat eine im Ver­ hältnis zu den Vertiefungen 3, 4 geringe Breite; die beiden Vertiefungen 3, 4 sind, ihre Ausdehnung in allen drei Koordinaten betreffend, etwa gleich groß. Die Oberfläche der Halbleiterschicht 1 ist über die Vertiefungen und deren Randbereiche 5 hin­ weg mit einer elastischen Membran 6 so überdeckt, daß die Vertiefung 3 wie auch die Vertiefung 4 eine geschlossene Kammer darstellt. Die Membran 6 ist an den Randbereichen 5, d. h. umlaufend um die Vertie­ fungen 3, 4, durch anodisches Bonden hermetisch mit der Halbleiterschicht 1 verbunden. Ausgenommen von dieser Verbindung ist der Bereich des Steges 2; hier liegt die Membran 6 lose auf der Halbleiter­ schicht 1 auf. Über dem Bereich des Steges 2 ist die Membran 6 mit einem Piezoplättchen 7 zu einer Bimoph-Struktur verbunden. Die unter der Membran 6 als Kammer eingeschlossene Vertiefung 3 ist über einen Strömungskanal 8, die ebenfalls als Kammer eingeschlossene Vertiefung 4 über einen Strömungs­ kanal 9 von außen zugänglich.

Das Öffnen des Mikroventiles erfolgt durch das An­ heben der Membran 6 über dem Steg 2, ausgelöst durch die Ansteuerung des Piezoplättchens 7. Durch das Anheben der Membran 6 wird über dem Steg 2 ein Spalt frei, der die Strömung einer Flüssigkeit oder eines Gases vom Strömungskanal 8 über die Vertiefung 3, den Steg 2 und die Vertiefung 4 zum Strömungskanal 9 oder umgekehrt ermöglicht; das Ventil ist geöffnet. Wird die Ansteuerung des Pie­ zoplättchens 7 negiert, fällt die Membran 6 ab, der Spalt zwischen Membran 6 und Steg 2 wird geschlos­ sen, der Strömungsweg ist gesperrt.

Bezugszeichenliste

1 Halbleiterschicht
2 Steg
3, 4 Vertiefungen
5 Randbereiche
6 Membran
7 Piezoplättchen
8, 9 Strömungskanäle

Claims (4)

1. Mikro-Ventilanordnung, im wesentlichen bestehend aus einem Abschnitt eines Strömungskanals, einem Ventilsitz, einem Ventilkörper, der bei Aufliegen auf dem Ventilsitz den Strömungskanal verschließt, und einem mikromechanischen Antrieb für die Bewe­ gung des Ventilkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Oberfläche einer ebenen Materialschicht (1), zwei nebeneinanderliegende, durch einen Steg (2) geringer Breite voneinander getrennte, etwa gleich große Vertiefungen (3, 4) eingearbeitet sind,
• - die Oberfläche der Materialschicht (1), zumindest über die Vertiefungen (3, 4) und deren Randbereiche (5) hinweg, einschließlich des Steges (2), mit ei­ ner elastischen Membran (6) abgedeckt ist,
• - die Materialschicht (1) und die Membran (6) an den Randbereichen (5) der Vertiefungen (3, 4) umlau­ fend, jedoch nicht im Bereich des Steges (2), her­ metisch miteinander verbunden sind,
• - die Membran (6) an einer Position über dem Steg (2) mit dem mikromechanischen Antrieb verbunden ist und
• - daß jede der beiden zwischen Materialschicht (1) und Membran (6) als Kammern eingeschlossenen Ver­ tiefungen (3, 4) über einen Strömungskanal (8, 9) von außen zugänglich ist.

2. Mikro-Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialschicht (100)-ori­ entiertes Silizium vorgesehen ist.

3. Mikro-Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran (6) eine Glasfolie auf die Siliziumschicht aufgebondet ist.

4. Mikro-Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als mikromechanischer Antrieb ein Piezoelement (7) vorgesehen und mit der Membran (6) zu einer Bimorph-Struktur verbunden ist.