DE19637928C2 - Bistabile Membran-Aktivierungseinrichtung und Membran - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran-Aktivierungseinrichtung in Siliziumtechnologie zur Steuerung von Flüssigkeiten oder Gasen, wie gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 umschrieben.

Es besteht in vielen Anwendungsbereichen Bedarf an Mikroschaltern und Mikroventilen, z. B. für pneumatische Steuerungen, miniaturisierte chemische Analysesysteme oder zur Dosierung von Medikamenten. Vorteile sind neben der hohen Miniaturisierung kurze Schaltzeiten und geringe Totvolumina, vgl. WO 91/464, EP 512 521 A, DE 44 18 450 A.

In der DE 39 26 066 C2 ist ein Kompressorkaskadenelement in dortiger Fig. 1a und 1b gezeigt. Jeweils drei hintereinander geschaltete mikromechanische Membranpumpen P1, P2 und P3 werden erwähnt, die mit Membranen und elektrischen Spannungen arbeiten (vgl. dort Spalte 2, Zeile 45 ff. und Spalte 3, Zeile 10 ff.). Die elektrostatischen Anziehungskräfte versetzen die dortigen Membranen M in mechanische Oszillation, die mit einer definierten Resonanzfrequenz im wesentlichen synchron ist (vgl. Spalte 3, Zeile 65 ff.). Aus der JP 1-266376 A1 (wiedergegeben in Patent Abstracts of Japan M-921, 18. Januar 1990, Vol. 14, No. 26) ist eine elastische Siliziumschicht dem Fachmann zugänglich (dort mit 10 bezeichnet), die von Aktuatoren (dort 1, 2, 3) ausgelenkt wird, um eine Ventilfunktion in entsprechend angepaßten Ventilböden sperrend oder durchlassend zu erreichen. Die dortige Membran 10 ist im Ruhezustand flach und wird nur ausgelenkt durch die Einwirkung der dortigen Stößel-Aktuatoren.

Der Oberbegriff des Anspruchs 1 ist abgeleitet aus der DE 39 26 647 A1, in der eine Membran-Aktivierungseinrichtung beschrieben wird, die eine Auslenkung gemäß dortiger Fig. 2 hat und mit Elektroden arbeitet, um eine Ventilwirkung der dortigen Membran zu erreichen, die in einem runden Bereich elastisch ausgeformt ist und insoweit einer elektrostatisch von Elektrodenflächen erzeugten Kraft nachgiebig folgen kann.

Die Problemstellung sieht die Erfindung in der Schaffung einer betriebssicher arbeitenden Membran-Aktivierungseinrichtung (z. B. als Ventil oder Schalter), die mit reduzierter elektrostatischer Antriebsspannung auskommt und gleichwohl verbesserte Krafterzeugung ermöglicht.

Gelöst wird dieses Problem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, also den Merkmalen des Oberbegriffs und des Kennzeichens gemeinsam. Die zwei gegenläufig ausgebauchten Förder- oder Schaltbereiche der Gesamtmembran passen in ihrer Form zu den zwei elektrisch ansteuerbaren Elektrodenflächen und aufgrund der gegenläufig vorgeformten Ausbauchung der Membranbereiche braucht eine elektrostatische Kraft nur auf denjenigen Schalt- oder Förderbereich ausgeübt zu werden, der angezogen werden soll, was durch die elektrische Ansteuerung der zugehörigen Elektrodenfläche erreicht wird. Innere mechanische Spannungen sorgen dafür, daß die ausgebauchten Schalt- oder Förderbereiche gegenläufig oder gegensinnig ausgebaucht bleiben, sie bleiben also auch im Betrieb "vorgeformt".

Die Anordnung arbeitet mit mediengetrenntem elektrostatischem Antrieb unter Verwendung von gekrümmten Antriebselektroden. Ein Kanal kann zum Druckausgleich zwei benachbarte Mulden koppeln, um antriebsseitig eine Anziehungskraft auf die eine Membran über die Kanalkopplung in eine abstoßende Kraft für die andere Membran umzusetzen.

Die umschnappende Membran (Anspruch 9) hat in ihren gegensinnigen Kalotten als Ausbauchungen oder Auslenkungen ringförmige Spannungslinien, die durch das Herstellverfahren über den "SOI" und das vollständige Herunterätzen seines dicken Substrats erreicht werden.

Beispiele sollen die Erfindung erläutern.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Beispiel eines Ventils. Es besteht aus zwei gebondeten Siliziumchips 9, 10, die mit Methoden der Halbleiterfertigung und Mikromechanik hergestellt werden können. Der obere Chip 9 bildet eine geätzte Einlaßöffnung 8 mit einem Ventilsitz 9a aus. Der untere Chip 10 enthält zwei elektrostatisch angetriebene - vorzugsweise runde - Membranbereiche 20a, 20b und die Auslaßöffnung 7.

Fig. 1a ist ein Beispiel für die Herstellung der Membranbereiche 20a, 20b einer Gesamtmembran 20 aus einem SOI-Wafer 61-63.

Fig. 2 ist ein anderes Anwendungsbeispiel der Gesamtmembran 20 mit ihren Membranbereichen 20a, 20b gemäß Fig. 1a in einem 3/2-Wege-Ventil, mit einem Aufbau ähnlich der Fig. 1, jedoch einem Einlaß 8 und zwei alternativen Auslässen 7a, 7b.

Fig. 3 ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit für die Gesamtmembran 20 mit ausgebauchten Bereichen 20a, 20b in einem elektrischen Schalter.

Fig. 4 zeigt eine Mikropumpe mit Rückschlagventil, die auch die Membran gemäß obigen Figuren verwendet.

Die Membranbereiche 20a, 20b haben eine intrinische Druckspannung, so daß sie nach oben oder nach unten aus der Ebene der Gesamtmembran 20 herausschnappen. Die "Membranen" haben stationär immer entgegengesetzte Stellung.

Unter jeder Membran ist ein Hohlraum 11, 12, auf dessen Boden eine Antriebselektrode 21, 22 plaziert ist. Die beiden Hohlräume sind durch einen Kanal 30 verbunden. Die Hohlräume werden mit Gas oder mit einer Flüssigkeit gefüllt, so daß die Bewegung der Membranen 20a, 20b gekoppelt wird, d. h. gegensinnig erfolgt.

Die Membran liegt auf Massepotential. Bei elektrischer Ansteuerung der linken Elektrode 21 schnappt die linke Membran 20b nach unten. Aufgrund der fluidischen Kopplung über den Kanal 30 schnappt die rechte Membran 20a nach oben und verschließt die Einlaßöffnung 8. Zum Öffnen des Ventils wird die rechte Elektrode 22 angesteuert. Die rechte Membran 20a schnappt nach unten, und dabei über die Kanal-Kopplung 30 die linke Membran 20b nach oben.

Der äußere Druck wirkt immer auf beide Membranen. Da sich die Membranen 20a, 20b gegensinnig bewegen, haben Änderungen des äußeren Druckes keinen Einfluß auf die Ventilfunktion. Das Ventil ist druckausgeglichen.

Die beiden gegensinnig bewegten gekoppelten Membranen erfüllen also zwei Funktionen: Zum einen kann damit eine Membran elektrostatisch abgestoßen werden. Dies ist mit einem einzelnen Kondensator nicht möglich, da nur anziehende Kräfte produziert werden können. Zum zweiten ist das System der gekoppelten Membranen druckausgeglichen.

Die Druckkompensation ist vollständig, wenn die Hohlräume unter den Membranen mit einer Flüssigkeit gefüllt sind. Bei einer Füllung mit Gas ist dafür zu sorgen, daß das eingeschlossene Gasvolumen möglichst gering ist. Dadurch führt die Bewegung der hochgeschnappten Membran nach unten zu einem großen Druckanstieg in dem Hohlraum, der die zweite Membran über die Kanalkopplung 30 nach oben bewegt. Die Kopplung und der Druckausgleich ist allerdings nicht unbegrenzt. Ein sehr großer äußerer Druck kann beide Membranen 20a, 20b nach unten zwingen.

Um das Volumen 11, 12 unter den Elektroden 21, 22 möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, den Hohlraumboden nicht eben, sondern gekrümmt, vorzugsweise in der Form der nach unten geschnappten Membran 20a, 20b auszubilden. Damit ergeben sich gekrümmte Antriebselektroden, die für den elektrostatischen Antrieb von großem Vorteil sind. Da in diesem Fall am Membranrand nur ein kleiner Abstand besteht, ergeben sich wesentlich höhere Kräfte als bei einer ebenen Elektrode.

Simulationsrechnungen haben gezeigt, daß die Kraft bei der gekrümmten Elektrodenform um einen Faktor zehn höher ist. Bei vorgegebener Kraft kann die Spannung damit etwa um einen Faktor drei reduziert werden. Dies erhöht die Betriebssicherheit des Ventils und erweitert dessen Anwendungsbereich.

Die Membranen 20a, 20b können aus Silizium bestehen, die Druckspannung kann durch eine dünne Siliziumdioxidschicht 60 erzeugt werden, die auf einen kommerziell erhältlichen SOI-Wafer gemäß Fig. 1a auf dessen Si-Schicht 61, die auf einer dickeren SiO₂-Schicht 62 und dem sehr viel stärkeren Substrat 63 liegt, zusätzlich aufgebracht wird. Die Gesamtmembran 20 kann dann hergestellt werden, indem der um die eine dünne SiO₂-Schicht ergänzte SOI-Wafer (silicon on insulator) auf dem unteren Chip 10 mit seiner Substratseite 63 nach oben aufgebondet wird und sein Substrat 63 bis auf die Silizium-Membranschicht (SiO₂) 60, 61 mechanisch oder chemisch wieder entfernt wird.

Oberflächen mit beliebig gekrümmter Topographie können in der Siliziumtechnik mit Hilfe der Grauton-Lithographie hergestellt werden. Dabei wird mit Hilfe einer speziell entworfenen gerasterten Photomaske ein Lichtintensitätsprofil erzeugt, das zur Ausbildung der gewünschten Oberflächenkontur im Photolack führt. Bei der Lithographie wird ein verkleinernder Pojektionsbelichter benutzt, der die Pixel der Grautonmaske nicht auflöst. Damit entstehen glatte aber gekrümmte Konturen. Das Lackprofil kann mit einem Trockenätzverfahren in das Substrat, z. B. Silizium oder Glas übertragen werden.

Fig. 2 ist ein 3/2-Wege-Ventil, mit einem Einlaß 8 und zwei - alternativen - Auslässen 7a, 7b, unter Anwendung des zuvor erläuterten Prinzips der Fig. 1 und der Gesamtmembran 20 von Fig. 1.

Fig. 3 veranschaulicht einen Schalter mit Kontaktflächen 28a, 28b, die an den umschnappenden Membranen 20a, 20b angeordnet sind und mit einem ebenfalls leitenden Sitz 9a, 9b am Chip 10 einen elektrischen Kontakt bilden, der abhängig von der Stellung des Membranpaares 20a, 20b geöffnet oder geschlossen ist.

Mit zwei Kontaktflächen 28a, 28b kann aufgrund der Gegensinnigkeit des Membranpaares ein Umschalter realisiert werden. Auch hier bildet der Kanal 30 die Kopplung zwischen den Membranen und verbessert deren Gegenläufigkeit.

Fig. 4 ist eine Mikropumpe unter Anwendung des zuvor erläuterten Konzepts. Eine elektrostatische Anziehungskraft f₁ an der Membran 20a wird über den Kanal 30 in eine abstoßende Kraft f₁' an der Membran 20b umgesetzt. Im umgekehrten - nicht gezeigten - Zustand entsteht eine anziehende Kraft f₂ (-f₁'), mit der über die Kopplung 30 des abgeschlossenen Raumes 11, 12, 30 die "abstoßende" elektrostatische Kraft f₂' (-f₁) an der anderen Membran 20a erzeugt wird.

Eine mögliche technologische Realisierung ist eine mikromechanische Dosiereinheit unter Verwendung der beschriebenen Ventiltyps. Eine Anzahl von bistabilen Siliziumventilen, die gemeinsam auf einem Siliziumchip realisiert sind, schalten unabhängig verschieden lange Drosselstrecken zu. Diese sind als Gräben in einem zweiten, darüberliegenden Siliziumchip geätzt und mit einem Glas-Chip abgedeckt. Der Eingangs- und Ausgangsdruck wird mit zwei Siliziumdrucksensoren gemessen.

Claims (9)

1. Membran-Aktivierungseinrichtung für Mikropumpen, Mikroschalter oder Mikroventile der Mikromechanik, mit elektrisch ansteuerbaren Elektrodenflächen und einer zusammenhängenden Gesamtmembran (20), die innerhalb eines flexiblen Bereichs einen ausgelenkten Schalt- oder Förderbereich aufweist, welche Membran (20) außerhalb des flexiblen Bereiches auf einem Substrat (10) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) in der zusammenhängenden, weitgehend flexiblen Gesamtmembran (20) paarweise gegensinnig ausgebauchte Schalt- oder Förderbereiche (20a, 20b) durch eine innere mechanische Spannung vorgeformt sind und die Gesamtmembran (20) außerhalb (20c, 20d) der Schalt- oder Förderbereiche (20a, 20b) an dem Substrat (10) befestigt ist;
• b) paarweise Elektrodenflächen (21, 22) den Schalt- oder Förderbereichen (20a, 20b) unbeweglich im oder am Substrat (10) in Muldenbereichen (11, 12) angebracht gegenüberstehen, entsprechend den ausgebauchten Schalt- oder Förderbereichen gekrümmt und einzeln elektrisch ansteuerbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektrodenflächen (21, 22) den Boden der muldenförmigen Ausnehmungen (11, 12) bedecken.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem jeweils zwei Muldenbereiche (11, 12) im Substrat (10) über einen Kanal (30) verbunden sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausbauchungen kalottenförmig sind, insbesondere durch zuvor eingebrachte innere ringförmige Spannungslinien, die konzentrisch zu zwei versetzten Zentren (A, B) verlaufen.

5. Einrichtung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Gesamtmembran (20) aus Silizium gestaltet ist.

6. Einrichtung nach einem der obigen Ansprüche, in der Größenordnung von 1...20 µm, insbesondere etwa 10 µm Höhe und mehreren 100 µm bis etwa 10 mm Länge und davon hälftiger Breite.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektrodenflächen (21, 22, 23) in Form und Größe eng an die Ausnehmungen (11, 12) angepaßt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 7, bei der die Mulden (11, 12) der Form einer cos²-Funktion oder einer 1-cos- Funktion stark angenähert sind.

9. Gesamtmembran für die Einrichtung nach Anspruch 5, erhältlich durch

• a) Vorsehen eines Silizium-Auf-Isolator-Wafers (SOI-Wafer; 61-63) mit einer ersten Isolierschicht (62) auf einem Substrat (63) und Aufbringen einer weiteren dünnen Isolierschicht (60), insbesondere aus SiO₂, auf den Silizium-Auf-Isolator-Wafer (61-63);
• b) Aufbonden des Wafers (61-63) mit der weiteren dünnen Isolierschicht (60) nach unten auf einem unteren Chip (10), in dem über einen Kanal (30) paarweise verbundene Muldenbereiche (11, 12) vorgesehen sind;
• c) Entfernen des im wesentlichen gesamten Substrates (63) des Wafers (60-63) von oben;
• d) Abtragen der ersten Isolierschicht (62) des Wafers (60-63) von oben;
• e) wobei die verbleibende weitere Isolierschicht (60) über den Muldenbereichen (11, 12) eine gegensinnig ausbauchende Auslenkung vorgeformter Bereiche (20a, 20b) der die Gesamtmembran bildenden verbliebenen Schichten (60, 61) bewirkt.