DE102005042656A1

DE102005042656A1 - Mikropumpe und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102005042656A1
Application number: DE102005042656A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fuertsch; Stefan Finkbeiner; Stefan Pinter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2007-03-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe (100) wenigstens mit einem ersten Substrat (110) und einem zweiten Substrat (120), wobei das erste Substrat (110) und das zweite Substrat (120) miteinander verbunden sind und wobei das zweite Substrat (120) aus Silizium ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das zweite Substrat (120) wenigstens eine unstrukturierte Seite (121) aufweist und das zweite Substrat (120) an der unstrukturierten Seite (121) mit dem ersten Substrat verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe (100).

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Mikropumpe.

Aus der Literatur sind verschiedene Konzepte für mikromechanische Mikropumpen bekannt. Die Pumpwirkung wird dabei häufig dadurch erreicht, dass durch Ätzen eines Siliziumsubstrats dünne Membranen hergestellt werden, die durch externe Anregung, z.B. mit einem piezoelektrischen Stellglied in Bewegung versetzt werden und damit eine Pumpwirkung erzeugen. Unter Verwendung der Silizium-Mikromechanik sind zwei Konzepte denkbar: Pumpen aus mehreren direkt aufeinander gebondeten Silizium-Wafern, wie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 200227194 A1 beschrieben, oder Pumpen aus einer Kombination von Silizium- und Glaswafern, wie zum Beispiel in der internationalen Patentanmeldung WO 1999009321 A1 offenbart sind.

Bekannte Mikropumpen auf Basis von Silizium-Direktbonden sind nur mit sehr großem Aufwand und geringer Ausbeute darstellbar. Dies liegt insbesondere daran, dass die Siliziumwafer zunächst beidseitig strukturiert und üblicherweise mit einem Durchgangsloch versehen werden, danach gereinigt und anschließend beidseitig gebondet werden. Die Reinigung strukturierter Wafer ist extrem schwierig, und da das Silizium-Direktbonden ein sehr partikelsensitiver Prozess ist, ist die Prozessausbeute normalerweise gering.

Bei den bekannten Mikropumpen aus einer Kombination von Silizium und Glas wird ebenfalls von einem beidseitig strukturierten Siliziumwafer ausgegangen. Dieser wird üblicherweise ebenfalls mit einem Durchgangsloch versehen und dann nacheinander anodisch mit zwei Glasplatten verbunden. Die Reinigung des Siliziumwafers ist dabei insbesondere vor dem Verbinden mit der zweiten Glasplatte schlecht möglich.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die Erfindung geht aus von einer Mikropumpe mit einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat, wobei das erste Substrat und das zweite Substrat miteinander verbunden sind, und wobei das zweite Substrat aus Silizium ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das zweite Substrat wenigstens eine unstrukturierte Seite aufweist, und das zweite Substrat an der unstrukturierten Seite mit dem ersten Substrat verbinden ist. Vorteilhaft ist das zweite Substrat kostengünstig herstellbar und vor dem verbinden mit dem ersten Substrat leicht zu reinigen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikropumpe sieht vor, dass das erste Substrat aus einem Glas ist. Vorteilhaft können dabei das erste und zweite Substrat durch anodisches Bonden miteinander verbunden sein. Vorteilhaft ist auch, dass das erste Substrat nur einseitig gebondet wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikropumpe sieht vor, dass das erste Substrat aus Silizium ist, und das erste Substrat mit dem zweiten Substrat vermittels einer Zwischenschicht aus einem Glas verbinden ist. Vorteilhaft sind hier beide Substrate in Silizium-Mikromechanik gefertigt. Vorteilhaft weisen beide Substrate dieselben physikalischen Eigenschaften wie z.B. Temperaturverhalten, Ausdehnung, usw. auf. Vorteilhaft können die beiden Siliziumsubstrate vermittels der Zwischenschicht aus Glas ebenfalls mittels anodischem Bonden miteinander verbinden sein.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe mit den Herstellungsschritten

(A) Bereitstellen eines ersten Substrats und eines zweiten Substrats aus Silizium, wobei wenigstens das zweite Substrat wenigstens eine unstrukturierte Seite aufweist,
(B) Reinigen des ersten Substrats und des zweiten Substrats,
(C) Verbinden des zweiten Substrats an der unstrukturierten Seite mit dem ersten Substrat.

Vorteilhaft können nur einseitig strukturierte Substrate im Herstellungsschritt (B) besonders leicht gereinigt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sieht vor, dass im Herstellungsschritt (A) das erste Substrat als ein Glassubstrat bereitgestellt wird. Glassubstrate sind besonders einfach und kostengünstig herzustellen bzw. zu beschaffen. Vorteilhaft sind weiterhin dieses Glassubstrat und das zweite Substrat aus Silizium durch anodisches Bonden im Herstellungsschritt (C) leicht miteinander zu verbinden.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sieht vor, dass im Herstellungsschritt (A) das erste Substrat als ein Siliziumsubstrat bereitgestellt wird. Vorteilhaft sind somit beide Substrate aus Silizium, was die Herstellung der Mikropumpe vereinfacht, da nunmehr überwiegend nur Herstellungsverfahren der Siliziummikromechanik zum Einsatz kommen müssen.

Vorteilhaft ist dabei auch, dass im Herstellungsschritt (C) das erste Substrat und das zweite Substrat vermittels einer Zwischenschicht aus einem Glas miteinander verbunden werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sieht vor, dass im Herstellungsschritt (C) das erste Substrat und das zweite Substrat mittels anodischem Bonden miteinander verbunden werden.

Vorteilhaft für die erfindungsgemäße Mikropumpe ist die Verwendung eines einseitig strukturierten Siliziumwafers und eines Glaswafers. Die Reinigung von einseitig strukturierten Wafern vor Bondung ist unproblematisch; daruber hinaus ist die anodische Bondung zwischen Glas und Silizium deutlich weniger partikelsensitiv, da sie die Topographie grundsätzlich besser toleriert als Silizium-Direktbonden. Gleich große Partikel führen beim anodischen Bonden im Gegensatz zum Silizium-Direktbonden zu deutlich kleineren Bonddefekten. Die Erfindung erfordert den Einsatz eines einseitig strukturierten Glases mit Durchgangslöchern. Entsprechende Fertigungstechnologien sind mittlerweile am Markt verfügbar.

Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Mikropumpe beispielsweise zum Dosieren von Medikamenten oder zum genauen Pipettieren von Flüssigkeiten Verwendung finden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Mikropumpe.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Mikropumpe in Schnittdarstellung. Die Mikropumpe 100 besteht aus einem ersten Substrat 110 und einem zweiten Substrat 120. Das erste Substrat 110 ist in diesem Beispiel aus Glas. Es weist zwei Durchgangsöffnungen auf, nämlich ein Eingangsloch 112 und ein Ausgangsloch 114. Das erste Substrat 110 weist außerdem Ausnehmungen 116 auf. Das zweite Substrat 120 ist aus Silizium. Es ist vorzugsweise scheibenförmig flach ausgebildet und weist zwei hauptsächliche Seiten auf Eine dieser beiden Seiten ist eine unstrukturierte Seite 121, welche beispielsweise die glatte, unbearbeitete Seite eines Siliziumsubstrats in Form eines Siliziumvafers sein kann. Von der anderen Seite her sind Ausnehmungen in das Substrat 110 eingebracht, derart, dass Membranen 122, 124 und 126 geschaffen sind. Diese Membranen 122, 124, 126 sind mittels Aktuatoren 128 in Richtungen x und -x auslenkbar. Das zweite Substrat 120 ist an seiner unstrukturierten Seite 121 mit dem ersten Substrat 110 verbinden. In diesem Beispiel sind die Substrate 110 und 120 mittels anodischem Bonden von Glas auf Silizium miteinander verbunden.
In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikropumpe bestehen beide Substrate 110 und 120 aus Silizium und sind mittels einer dazwischen angeordneten Glasschicht durch anodisches Bonden miteinander verbinden.
Die verbundenen Substrate 110 und 120 schließen Hohlräume, insbesondere eine Kaverne 130 ein, die im Wesentlichen von den Ausnehmungen 116 gebildet werden und von dem zweiten Substrat 120 begrenzt sind.
Die Mikropumpe 100 arbeitet nach dem Prinzip einer Membranpumpe Die beiden äußeren Aktuatoren 128, die beispielsweise piezoelektrisch angetrieben sind, dienen dazu, abwechselnd das Eingangsloch 112 und das Ausgangsloch 114 zu öffnen bzw. zu schließen, der mittlere Aktuator 128 pumpt eine Flüssigkeit durch die Mikropumpe 100 indem mittels der darunter befindlichen Membran 126, das Volumen der Kaverne 130 verändert wird. Beispielhaft wird zum Herauspumpen der Flüssigkeit aus der Pumpkammer der Aktuator 128 ausgelenkt, der einen Einlasskanal, nämlich das Eingangsloch 112 verschließt und der Aktuator 128 ausgelenkt, der durch Verringerung des Volumens der Kaverne 130 die Flüssigkeit zu einem Auslasskanal, nämlich dem Ausgangsloch 114 herausdrückt.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe.
Die wesentlichen Schritte des Verfahrens sind:

(A) Bereitstellen eines ersten Substrats 110 und eines zweiten Substrats 120 aus Silizium, wobei das zweite Substrat 120 wenigstens eine unstrukturierte Seite 121 aufweist.
(B) Reinigen des ersten Substrats 110 und des zweiten Substrats 120,
(C) Verbinden des zweiten Substrats 120 an der unstrukturierten Seite 121 mit dem ersten Substrat 110.

In dem hier gezeigten Beispiel werden im Herstellungsschritt C die beiden Substrate 110 und 120 mittels anodischem Bonden miteinander verbunden.
Das Herstellungsverfahren weist noch weitere Schritte auf. So wird beispielsweise vor dem Herstellungsschritt (A) das erste Substrat 110 strukturiert. Das zweite Substrat 120 bleibt hingegen wenigstens einseitig unstrukturiert. Die Strukturierung des ersten Substrats 110, nämlich in diesem Beispiel des Glaswafers besteht aus einer Vorderseitenbearbeitung zur Herausbildung der Ausnehmungen 116 und somit unter anderem zur Definition des Pumpenvolumens, sowie aus der Strukturierung der Zugangslöcher 112 und 114. Das zweite Substrat kann ebenfalls einseitig strukturiert werden. Insbesondere können die Membranen 122, 124 und 126 durch Ätzen von Ausnehmungen mittels KOH geschaffen werden.
Das hier beschriebene Herstellungsverfahren kann auch auf Waferebene praktiziert werden, d.h. durch Verbinden zweier einseitig strukturierter Wafer gemäß der vorgenannten Herstellungsschritte können eine Vielzahl von Mikropumpen 100 gleichzeitig hergestellt werden. Diese Mikropumpen 100 können im Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren noch vereinzelt werden. Dies geschieht beispielsweise durch Sägen der verbundenen Substrate 110 und 120.

Claims

Mikropumpe (100) wenigstens mit einem ersten Substrat (110) und einem zweiten Substrat (120), – wobei das erste Substrat (110) und das zweite Substrat (120) miteinander verbinden sind, – wobei das zweite Substrat (120) aus Silizium ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das zweite Substrat (120) wenigstens eine unstrukturierte Seite (121) aufweist, – und das zweite Substrat (120) an der unstrukturierten Seite (121) mit dem ersten Substrat verbunden ist.
Mikropumpe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (110) aus einem Glas ist.
Mikropumpe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (110) aus Silizium ist, und das erste Substrat (110) mit dem zweiten Substrat (120) vermittels einer Zwischenschicht aus einem Glas verbinden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Herstellungsschritten: (A) Bereitstellen eines ersten Substrats 110 und eines zweiten Substrats 120 aus Silizium, wobei wenigstens das zweite Substrat 120 wenigstens eine unstrukturierte Seite 121 aufweist, (B) Reinigen des ersten Substrats 110 und des zweiten Substrats 120, (C) Verbinden des zweiten Substrats 120 an der unstrukturierten Seite 121 mit dem ersten Substrat 110.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Herstellungsschritt (A) das erste Substrat (110) als ein Glassubstrat bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Herstellungsschritt (A) das erste Substrat (110) als ein Siliziumsubstrat bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Herstellungsschritt (C) das erste Substrat (110) und das zweite Substrat (120) vermittels einer Zwischenschicht aus einem Glas miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Herstellungsschritt (C) das erste Substrat (110) und das zweite Substrat (120) mittels anodischem Bonden miteinander verbunden werden.