Mikromechanisches Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren

Beschreibung

STAND DER TECHNIK

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikropumpe für polare Fluide, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

[0002] Die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik werden in bezug auf eine in der Technologie der Silizium-Oberflächenmikromechanik herstellbare mikromechanische Mikropumpe erläutert.

[0003] In Mikromechanik hergestellte Mikropumpen verwenden beispielsweise Pumpenkammern mit Rückschlagventilen oder Pumpenkammern mit Strömungskanälen unterschiedlichen Durchmessers, um eine eindeutige Strömungsrichtung zu erzeugen:

[0004] Die Kraftwirkung auf Dipole, wie beispielsweise Wassermoleküle, in inhomogenen elektrischen Feldern ist seit langem bekannt und wird in Standardlehrbüchern der Physik beschrieben.

[0005] Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines polaren H₂O-Moleküls; und Fig. 7a,b zeigen eine schematische Darstellung des polaren H₂O-Moleküls unter Einfluß eines elektrischen Feldes, und zwar Fig. 7a in einem ersten Zustand und Fig. 7b in einem zweiten Zustand.

[0006] H₂O-Moleküle besitzen, wie viele andere polare Moleküle, ein permanentes Dipolmoment aufgrund ihrer Molekülstruktur. Sauerstoff bindet die Bindungselektronen stärker an sich. Dadurch erhält das Sauerstoffatom eine leicht negative Ladung bzw. die Wasserstoffatome eine leicht positive Ladung. Die räumlich unterschiedliche Position der Ladungen resultiert in einem Dipolmoment D, wie in Fig. 6 gezeigt.

[0007] Wie aus Fig. 7a, b entnehmbar, wird unter dem Einfluß des durch die Ladung q erzeugten elektrischen Feldes F der Dipol D gedreht und angezogen, wobei die anziehende Kraft K' im gedrehten zweiten Zustand größer als die Kraft K im ungedrehten ersten Zustand ist.

[0008] In inhomogenen elektrischen Feldern führt die räumliche Trennung der Ladungen also zu einer Ausrichtung des Dipols D im Feld F und zur anziehenden Kraft K' zum Ort des größeren elektrischen Feldes. Dabei wird die positive Ladung des Dipols D angezogen, die negative Ladung abgestoßen. Dies führt zur Drehung des Dipols D. Die positive Ladung des Dipols D befindet sich nun an einem Ort mit größerem elektrischen Feld (engere Feldlinien) als die negative Ladung. Dadurch ist die anziehende Kraft auf die positive Ladung des Dipols D größer als die abstoßende Kraft auf die negative Ladung. Dies resultiert in einer Anziehung des Dipols D. Die anziehende Kraft ist dabei unabhängig von dem Vorzeichen der elektrischen Ladung q, die das inhomogene Feld F verursacht.

[0009] Dieser Effekt wird bei manchen Schiffsantrieben ausgenützt. Im Bug eines Schiffes wird ein inhomogenes elektrisches Feld erzeugt. Die anziehende Kraft von Schiffsrumpf und Wassermolekülen führt zu einer Vorwärtsbewegung des Schiffs.

[0010] Elektroosmotisches Pumpen wurde bereits beschrieben (Dasgupta et al., "Electroosmosis: A Reliable Fluid Propulsion System for Flow Injection Analysis", Anal. Chem. 66 (1994) 1792-1798). Hierbei werden Flüssigkeiten gepumpt, indem Ionen in den Flüssigkeiten durch elektrische Felder in die gewünschte Richtungen gezogen werden und dabei die restliche Flüssigkeit mitschieben.

[0011] Elektrohydrodynamisches Pumpen wurde bereits beschrieben (Bart et al., "Microfabricated Electrohydrodynamic Pumps", Sensor and Actuators A29 (1990) 193-197; P. J. Zanzucchi et al., US 5,858,193). Die Pumpwirkung entsteht bei hohen elektrischen Felder durch Kräfte auf Ionen, die aufgrund der hohen Felder durch Dissoziation und elektrolytische Prozesse entstanden sind.

[0012] In der Veröffentlichung "Noncontact Transportation of DNA Molecule by Dielectrophoretic Force", Keisuke Morishima et al., IEEE Sixth Symposium on Micro machine and Human Science, Nagoya, Japan, 1995, Seiten 145-152 eine Vorrichtung zur dielektrophoretischen Abscheidung einzelner DNS Moleküle beschrieben. Die Vorrichtung weist dazu einen gemeinsamen Eingangsbereich auf, von dem zwei Strömungskanäle abzweigen, die jeder einen Ausgang aufweisen. Zur Abscheidung werden die DNS Moleküle bevorzugt in einen der beiden Strömungskanäle abgelenkt. Dazu weist die Vorrichtung innerhalb der der Strömungskanäle Elektroden auf, zwischen denen elektrische Felder erzeugt werden können.

[0013] In der Internationalen Patentanmeldung WO 00/11477 ist eine mikrofluidische Struktur, nämlich eine Trennsäuleneinheit für Gaschromatogaphen, und deren Herstellung offenbart. Dabei ist eine Kanalstruktur in eine Trägerplatte eingebracht und diese Mit einer Abdeckplatte abgedeckt. Die Trägerplatte kann ein Schichtplatte mit einem Siliziumsubstrat, einer Siliziumoxidschicht und einer Silizium-Funktionschicht sein, wobei die Kanalstruktur in die Funktionsschicht durch Ätzen eingebracht wird. Der Ätzvorgang wird an der Oxidschicht gestoppt. Die Kanalstruktur wird durch eine weitere Siliziumplatte abgedeckt.

[0014] Aus der Patentschrift US 5 482 598 A ist ein elektrochemisches Verfahren zum porösen Ätzen von Silizium bekannt. Mit Hilfe dieses Verfahrens werden Kanalstrukturen in einer Siliziumplatte erzeugt. Die Kanalstrukturen werden durch eine weitere Platte aus Borsilikatglas abgedeckt.

VORTEILE DER ERFINDUNG

[0015] Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, daß die anziehende Kraft auf polare Moleküle (z.B. Wasser) in inhomogenen elektrischen Feldern ausgenutzt wird, um diese Moleküle zu beschleunigen. Es erfolgt dazu die Herstellung von Kanälen mit Elektroden, die entsprechende inhomogene Felder erzeugen.

[0016] Die erfindungsgemäße Mikropumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 8 weisen den Vorteil auf, daß eine einfache und kostengünstige Herstellung einer Mikropumpe für polare Flüssigkeiten oder Gase möglich wird. Die Pumpe ist äußerst robust, da keinerlei bewegliche Teile verwendet werden.

[0017] Die Erzeugung ist durch viele Prozessvarianten möglich, und dadurch wird die Möglichkeit der Integration mit anderen mikromechanischen oder elektrischen Komponenten auf einem Chip geschaffen.

[0018] Die Pumpwirkung ergibt sich bereits bei kleinen Spannungen (wenige V), da durch die kleinen Radien (ca. 5 µm), die mit Mikromechanik herstellbar sind, sehr inhomogene elektrische Felder erzeugt werden können, die auch bei kleinen Spannungen eine ausreichende Kraftwirkung erzeugen. Insbesondere werden keine so hohen Spannungen (> 100 V) benötigt wie beispielsweise bei elektrohydrodynamischen Pumpen.

[0019] In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Erfindungsgegenstandes.

[0020] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die Strömungskanäle in einem gemeinsamen Ausgangsbereich zusammengeführt.

[0021] Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Spitze einen geringen Radius im Bereich einiger Mikrometer auf. So lassen sich besonders inhomogene Felder erzeugen.

[0022] Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Innenwandungen der Strömungskanäle in dem gemeinsamen Ausgangsbereich eine Rundung auf. Hier ist ein homogener Feldverlauf gewünscht.

[0023] Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind zwei Strömungskanäle aus dem gemeinsamen Eingangsbereich abgezweigt, wobei die Strömungskanäle in einem gemeinsamen Mittelbereich zusammengeführt sind, von dem Mittelbereich zwei weitere Strömungskanäle abgezweigt sind, und die weiteren zwei Strömungskanäle in einem gemeinsamen Ausgangsbereich zusammengeführt sind, der eine Verzweigung mit einer weiteren Spitze aufweist, an der sich die Innenwandungen der Strömungskanäle teilen.

[0024] Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Mittelbereich beiderseits eine Verzweigung mit einer Rundung auf, an der sich die Innenwandungen der Strömungskanäle teilen.

[0025] Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine dritte Elektrode zum Anlegen eines dritten elektrischen Potentials an die Innenwandungen der zwei weiteren Strömungskanäle vorgesehen.

ZEICHNUNGEN

[0026] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erlautert.

[0027] Es zeigen:

Fig. 1a,b

eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Bauelements in Form einer Mikropumpe als erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1a im Querschnitt und Fig. 1b eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung von Fig. 1a;

Fig. 2

eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Bauelements in Form einer Mikropumpe als zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3a-c

eine schematische Darstellung eines Herstellungs-verfahrens für ein mikromechanisches Bauelement in Form einer Mikropumpe als drittes Ausführungs-beispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4

eine Modifikation des Herstellungsverfahrens als viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5

eine weitere Modifikation des Herstellungsverfahrens als fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6

eine schematische Darstellung eines polaren H₂O-Moleküls; und

Fig. 7a,b

eine schematische Darstellung des polaren H₂O-Moleküls unter Einfluß eines elektrischen Feldes, und zwar Fig. 7a in einem ersten Zustand und Fig. 7b in einem zweiten Zustand.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

[0028] In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.

[0029] Fig. 1a,b zeigen eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Bauelements in Form einer Mikropumpe als erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1a im Querschnitt und Fig. 1b eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung von Fig. 1a.

[0030] Der mit Bezug auf Fig. 7a,b beschriebene Effekt kann ausgenützt werden, um eine Mikropumpe für ein polares Medium bzw. Fluid herzustellen.

[0031] Das polare Medium strömt ausgehend von einer Verzweigung im Eingangsbereich 5 in die beiden Strömungskanäle 10, 10'. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der Mittenelektrode 20, die mit den Innenwandungen der Strömungskanäle 10, 10' verbunden ist, und der Außenelektrode 30, die mit den Außenwandungen der Strömungskanäle 10, 10' verbunden ist, wird ein elektrisches Feld erzeugt. Bei dem mit "Spitze" bezeichneten Bereich P tritt aufgrund des sehr kleinen Krümmungsradius der Mittenelektrode 20 ein stark inhomogenes Feld IF auf (Fig. 1b). Bei den anderen Bereichen tritt ein näherungsweise homogenes Feld HF auf, da bei diesen Bereichen relativ große Krümmungsradien vorherrschen. Dieses stark inhomogene Feld IF führt dazu, dass die polaren Moleküle (wie z.B. Wasser) in Richtung "Spitze" P gezogen werden. Links und rechts der "Spitze" P befindet sich nach einem sehr kleinen Übergangsbereich der Bereich mit homogenen elektrischen Feld HF im jeweiligen Strömungskanal 10 bzw. 10'.

[0032] Polare Moleküle, die relativ nahe an der "Spitze" P sind, werden durch nachfolgende Moleküle, die noch weiter oberhalb der "Spitze" P sind, zur Seite gedrängt in den Bereich mit homogenen elektrischen Feld HF. Dadurch entsteht eine eindeutige Strömungsrichtung S bzw. Pumpwirkung. Da mittels Mikromechanik eine "Spitze" P mit sehr kleinem Radius hergestellt werden kann, ist das elektrische Feld im Bereich der "Spitze" P sehr inhomogen. Dadurch entsteht eine relativ große anziehende Kraft auf die polaren Moleküle.

[0033] Hingegen haben die Innenwandungen 7, 7' der Strömungskanäle 10, 10' in dem gemeinsamen Ausgangsbereich 6 eine Rundung R mit relativ homogenem Feldverlauf.

[0034] Selbstverständlich können mehrere der in Fig. 1a,b gezeigten Pumpen sequentiell oder parallel zusammengeschaltet werden, um eine höhere Pumpwirkung zu erreichen.

[0035] Bei der in Fig. 1a,b gezeigten Ausführungsform könnte eine Rückströmung nicht gestoppt werden. Dies könnte mit einem (nicht gezeigten) Rückschlagventil verhindert werden.

[0036] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Bauelements in Form einer Mikropumpe als zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

[0037] Als weitere Möglichkeit bietet sich die Kombination zweier Mikropumpengeometrien an, wie in Fig. 2 gezeigt. Dazu ist die Struktur gemäß Fig. 1a,b praktisch am Auslaß gespiegelt.

[0038] In Strömungsrichtung S1 verzweigt das Fluid an der "Spitze" P1 in die Strömungskanäle 10, 10' und tritt am Ausgang in den Strömungskanal 11, der die beiden Strukturen verbindet. Der Strömungskanal 11 weist beiderseits eine Verzweigung mit einer Rundung R bzw. R' auf, an der sich die Innenwandungen 7 bzw. 7' der Strömungskanäle 10, 10' bzw. 12, 12' teilen.

[0039] Durch den Strömungskanal 11 strömt das Fluid zur Verzweigung mit einer runden Form (homogenes Feld) und läuft dann durch die Strömungskanäle 12, 12' über die "Spitze" P2 zum Ausgangsbereich 6.

[0040] Durch den Unterschied der elektrischen Felder, die durch die beiden Mittenelektroden 20a, 20b erzeugt werden, kann bei diesem Beispiel eine Strömungsrichtung S1 bzw. S2 vorgegeben werden.

[0041] Fig. 3a-c zeigen eine schematische Darstellung eines Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement in Form einer Mikropumpe als drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

[0042] Fig. 3a zeigt einen Zwischenzustand, wobei 70 ein Siliziumsubstrat, 60 eine isolierende Zwischenschicht (z.B. SiO₂), 50 eine mikromechanische Funktionsschicht (z.B. Polysilizium) und 40 eine Maske (z.B. Nitrid/Oxid oder Fotolack) bezeichnet.

[0043] Der Zwischenzustand in Fig. 3a kann beispielsweise hergestellt werden durch Verwenden eines SOI-Substrats (Siliconon-Insulator) und Aufbringen und Strukturieren der Maske 40 oder durch Oxidation des Substrats 70, Abscheiden der Funktionsschicht 50 (z.B. dotiertes polykristallines Silizium) und Aufbringen und Strukturieren der Maske 40. Die Zwischenschicht 60 zwischen Substrat und Funktionsschicht ist notwendig zur Isolierung der Elektroden.

[0044] Fig. 3b zeigt den Zwischenzustand nach Ätzen der Strömungskanäle 80 (z.B. durch anisotropes Plasmaätzen), Entfernen der Maske 40 und Herstellen der Kontaktpads 90 für die Mittel- bzw. Außenelektroden. Wahlweise können die Kontaktpads 90 auch vor dem Aufbringen der Maske 40 hergestellt werden.

[0045] Abschließend wird, wie in Fig. 3c gezeigt, ein bevorzugt vorstrukturiertes Decksubstrat 100 mit dem bisherigen Aufbau verbunden. Dies kann beispielsweise durch anodisches Bonden von Glas geschehen. Die Vorstrukturierung ist wünschenswert, damit zu den Kontaktpads 90 Zugangsöffnungen bestehen.

[0046] Optional können im Substrat 70 oder im Decksubstrat 100 Öffnungen zu den Kanälen 80 hergestellt werden, um von der Unter- und/oder Oberseite der Struktur das zu pumpende Medium zuzuführen.

[0047] Fig. 4 zeigt eine Modifikation des Herstellungsverfahrens als viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

[0048] Diese vierte Ausführungsform wird mittels Anodisieren hergestellt wird. Beim Anodisieren wird das Substrat 70', hier ein p-Wafersubstrat mit n⁺-Wannen 120, in eine Ätzlösung, die HF enthält, getaucht. Durch Anlegen einer Spannung an zwei Elektroden, zwischen denen sich das Substrat befindet, ätzen von einer Seite kleine Poren in das Substrat. Die Porengröße wird von den Anodisierbedingungen bestimmt (HF-Konzentration, Stromdichte, Dotierung des Substrats, etc.).

[0049] Durch die Maskierung des p-dotierten Substrats 70' mit den n⁺-dotierten Bereichen 120 können auf dem Substrat 70' lokal begrenzte, poröse Schichtbereiche 110 erzeugt werden. Durch einen Wechsel der Anodisierbedingungen (HF-Konzentration, Stromdichte, ...) kann unterhalb dieser porösen Schichtbereiche 110 das Silizium vollständig herausgelöst werden und somit ein jeweiliger Strömungskanal 80' erzeugt werden (Elektropolitur).

[0050] Durch eine anschließende kurze Oxidation oxidiert das poröse Silizium aufgrund seiner großen Oberfläche vollständig und wandelt sich in Siliziumoxid um. Bei geeigneter Wahl der Porosität der porösen Schichtbereiche 110 führt die Volumenausdehnung bei der Oxidation zu einem Verschließen der Poren. Optional kann noch eine Verschlussschicht aufgebracht werden.

[0051] Wichtig ist, dass durch die Oxidation die beiden Elektroden 90 lateral elektrisch isoliert werden. Um zu verhindern, dass ein Stromfluss unterhalb des jeweiligen Kanals 80' von einer Elektrode 90 zur anderen Elektrode 90 fließt, können die unterschiedlichen Dotierungen ausgenutzt werden, um eine Diode in Sperrrichtung zu erzeugen.

[0052] Fig. 5 zeigt eine weitere Modifikation des Herstellungsverfahrens als fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

[0053] Durch einen weiteren Wechsel der Anodisierbedingungen kann unter dem jeweiligen Kanal 80' wiederum eine poröse Schicht 110' erzeugt werden. Nach der Oxidation erhält man einen Kanal 80' bzw. einen Hohlraum mit darüber- und darunterliegendem Oxid 110, 110', der die Elektroden 90 voneinander vollständig isoliert.

[0054] Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

[0055] In den obigen Beispielen ist das erfindungsgemäße Bauelement in einfachen Formen zur Erläuterung seiner Grundprinzipien erläutert worden. Kombinationen der Beispiele und wesentlich kompliziertere Ausgestaltungen unter Verwendung derselben Grundprinzipien sind selbstverständlich denkbar.

[0056] Es können auch beliebige mikromechanische Grundmaterialien verwendet werden, und nicht nur das exemplarisch angeführte Siliziumsubstrat.

[0057] Auch durch eine Maskierung mit einer Nitridschicht können gewisse Bereiche des Substrats vor dem Ätzangriff geschützt werden.

Ansprüche

1. Mikromechanisches Bauelement, nämlich eine Mikropumpe für polare Fluide, mit:

einem Substrat (50, 60, 70; 70');

mindestens zwei in dem Substrat (50, 60, 70; 70') vorgesehenen Strömungskanälen (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80'), welche aus einem gemeinsamen Eingangsbereich (5) abgezweigt sind;

wobei eine erste Elektrode (20, 20a, 20b) und eine zweite Elektrode (3a) in dem Eingangsbereich eine Verzweigung der Strömungskanäle bilden, wobei die erste Elektrode (20, 20a, 20b) eine Spitze (P; P1, P2) aufweist, an der sich die Innenwandungen (7; 7') der Strömungskanäle (10, 10'; 10, 10`, 11, 12, 12 ; 80; 80') teilen;

wobei die besagte erste Elektrode (20; 20a, 20b) zum Anlegen eines ersten elektrischen Potentials an die Innenwandungen (7; 7') der Strömungskanäle (10, 10`; 10, 10', 11, 12, 12 ; 80; 80') vorgesehen ist; und

die besagte zweite Elektrode (30) zum Anlegen eines zweiten elektrischen Potentials an die Außenwandungen (8; 8') der Strömungskanäle (10, 10`; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80') vorgesehen ist,

wobei die mindestens zwei Strömungskanäle durch die Anordnung der ersten Elektrode als Mittenelektrode und der zweiten Elektrode als Außenelektrode gebildet werden.

2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12 ; 80; 80') in einem gemeinsamen Ausgangsbereich (6) zusammengeführt sind.

3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (P; P1, P2) einen geringen Radius im Bereich einiger Mikrometer aufweist.

4. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandungen (7; 7') der Strömungskanäle (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80') in dem gemeinsamen Ausgangsbereich (6) eine Rundung (R; R, R') aufweisen.

5. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Strömungskanäle (10, 10') aus dem gemeinsamen Eingangsbereich (5) abgezweigt sind, die Strömungskanäle (10, 10') in einem gemeinsamen Mittelbereich (11) zusammengeführt sind, von dem Mittelbereich (11) zwei weitere Strömungskanäle (12, 12`) abgezweigt sind, und die weiteren zwei Strömungskanäle (12, 12') in einem gemeinsamen Ausgangsbereich (6) zusammengeführt sind, der eine Verzweigung mit einer weiteren Spitze (P; P1, P2) aufweist, an der sich die Innenwandungen 7; 7') der Strömungskanäle 12, 12') teilen.

6. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich (11) beiderseits eine Verzweigung mit einer Rundung (R, R') aufweist, an der sich die Innenwandungen (7; 7') der Strömungskanäle (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80`} teilen.

7. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine dritte Elektrode (20b) zum Anlegen eines dritten elektrischen Potentials an die Innenwandungen (7') der zwei weiteren Strömungskanäle (12, 12').

8. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements nach Anspruch 1, mit den Schritten:

Vorsehen eines Substrats (50, 60, 70) mit einer mikromechanischen Funktionsschicht (50) unter Zwischensetzen einer Isolationsschicht (60) auf einem Wafersubstrat (70);

Ätzen von Gräben (80; 80') in der mikromechanischen Funktionsschicht (50) zum Erstellen der ersten Elektrode (20; 20a, 20b) und der zweiten Elektrode (30) sowie der Strömungskanäle (10, 10 ; 10" 10', 11, 12, 12`; 80, 80'),

wobei die Strömungskanäle durch die Anordnung der ersten Elektrode als Mittenelektrode und der zweiten Elektrode als Außenelektrode gebildet werden; und Verschließen der Strömungskanäle (10, 10`; 10, 10`, 11, 12, 12'; 80, 80') von oben.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschließen der Strömungskanäle (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80') von oben ein weiteres Substrat (100) auf die mikromechanische Funktionsschicht (50) gebondet wird.

10. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Baumes nach Anspruch 1, mit den Schritten:

Vorsehen eines Substrats (70');

Vorsehen von Maskierungsbereichen (120) zum Definieren der Lage der Strömungskanäle (80; 80');

anodisches Ätzen der Strömungskanale (80; 80');

Vorsehen der ersten Elektrode (20; 20a, 20b) und der zweiten Elektrode (10) in den Maskierungsbereichen (120)

wobei die Strömungskanäle durch die Anordnung der ersten Elektrode als Mittenelektrode und der zweiten Elektrode als Außenelektrode gebildet werden; und

Verschließen der Strömungskanäle (80; 80') von oben.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschließen der Strömungskanäle (80; 80') von oben eine poröse Schicht (110) oberhalb der Strömungskanäle (80; 80') oxidiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsbereiche (120) Dotierungsgebiete mit einem zum Substrat (70') entgegengesetzten Dotiertyp sind.

13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Substrat (70') oberhalb und unterhalb der Strömungskanäle (80; 80') poröse Bereiche (110; 110') vorgesehen werden.

Claims

1. Micromechanical component, to be specific a micropump for polar fluids, having
a substrate (50, 60, 70; 70');
at least two flow channels (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80'), which are provided in the substrate (50, 60, 70; 70') and branch off from a common inlet region (5);
wherein a first electrode (20, 20a, 20b) and a second electrode (30) form a branching of the flow channels in the inlet region, the first electrode (20, 20a, 20b) having a tip (P; P1, P2), at which the inner walls (7; 7') of the flow channels (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80') divide;
wherein the said first electrode (20; 20a, 20b) is intended for applying a first electric potential to the inner walls (7; 7') of the flow channels (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80'); and
wherein the said second electrode (30) is intended for applying a second electric potential to the outer walls (8; 8') of the flow channels (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80'),
wherein the at least two flow channels are formed by the arrangement of the first electrode as a middle electrode and the second electrode as an outer electrode.

2. Micromechanical component according to Claim 1, characterized in that the flow channels (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80') are brought together in a common outlet region (6).

3. Micromechanical component according to Claim 1 or 2, characterized in that the tip (P; P1, P2) has a small radius in the region of a few micrometres.

4. Micromechanical component according to either of the preceding Claims 2 and 3, characterized in that the inner walls (7; 7') of the flow channels (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80') have a rounding (R; R, R') in the common outlet region (6).

5. Micromechanical component according to Claim 1, characterized in that two flow channels (10, 10') are branched off from the common inlet region (5), the flow channels (10, 10') are brought together in a common middle region (11), two further flow channels (12, 12') are branched off from the middle region (11), and the further two flow channels (12, 12') are brought together in a common outlet region (6), which has a branching with a further tip (P; P1, P2), at which the inner walls (7; 7') of the flow channels (12, 12') divide.

6. Micromechanical component according to Claim 5, characterized in that the middle region (11) has on both sides a branching with a rounding (R, R'), at which the inner walls (7; 7') of the flow channels (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80') divide.

7. Micromechanical component according to Claim 5, characterized by a third electrode (20b) for applying a third electric potential to the inner walls (7') of the two further flow channels (12, 12').

8. Method for producing a micromechanical component according to Claim 1, with the steps of:

providing a substrate (50, 60, 70) having a micromechanical functional layer (50) while interposing an insulating layer (60) on a wafer substrate (70);

etching trenches (80; 80') in the micromechanical functional layer (50) for creating the first electrode (20; 20a, 20b) and the second electrode (30) as well as the flow channels (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80'),

wherein the flow channels are formed by the arrangement of the first electrode as a middle electrode and the second electrode as an outer electrode; and

closing the flow channels (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80') from above.

9. Method according to Claim 8, characterized in that, for closing the flow channels (10, 10'; 10, 10', 11, 12, 12'; 80; 80') from above, a further substrate (100) is bonded onto the micromechanical functional layer (50).

10. Method for producing a micromechanical component according to Claim 1, with the steps of:

providing a substrate (70');

providing masking regions (120) for defining the position of the flow channels (80; 80');

anodically etching the flow channels (80; 80');

providing the first electrode (20; 20a, 20b) and the second electrode (30) in the masking regions (120),

wherein the flow channels are formed by the arrangement of the first electrode as a middle electrode and the second electrode as an outer electrode; and

closing the flow channels (80; 80') from above.

11. Method according to Claim 10, characterized in that, for closing the flow channels (80; 80') from above, a porous layer (110) above the flow channels (80; 80') is oxidized.

12. Method according to Claim 10 or 11, characterized in that the masking regions (120) are doping regions with a doping type opposed to the substrate (70').

13. Method according to Claim 10, 11 or 12, characterized in that porous regions (110; 110') are provided in the substrate (70') above and below the flow channels (80; 80').

Revendications

1. Composant micromécanique, notamment, micro-pompe pour fluides polaires, comprenant :

un substrat (50, 60, 70 ; 70') ;

au moins deux canaux (10, 10' ; 10, 10', 11, 12, 12' ; 80 ; 80') bifurquant à partir d'une zone d'entrée commune (5) et prévus dans le substrat (50, 60, 70 ; 70') ;

dans lequel une première électrode (20, 20a, 20b) et une deuxième électrode (30) forment une ramification des canaux d'écoulement dans la zone d'entrée, dans lequel la première électrode (20, 20a, 20b) présente une pointe (P ; P1, P2) sur laquelle se divisent les parois internes (7 ; 7') des canaux d'écoulement (10, 10' ; 10, 10', 11, 12, 12' ; 80 ; 80') ;

dans lequel ladite première électrode (20 ; 20a, 20b) est prévue pour appliquer un premier potentiel électrique aux parois internes (7 ; 7') des canaux d'écoulement (10, 10' ; 10, 10', 11, 12, 12' ; 80 ; 80') ; et

ladite deuxième électrode (30) est prévue pour appliquer un deuxième potentiel électrique aux parois externes (8 ; 8') des canaux d'écoulement (10, 10' ; 10, 10' , 11, 12, 12' ; 80 ; 80'),

dans lequel les au moins deux canaux d'écoulement sont formés par agencement de la première électrode en tant qu'électrode centrale et de la deuxième électrode en tant qu'électrode externe.

2. Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canaux d'écoulement (10, 10' ; 10, 10', 11, 12, 12' ; 80 ; 80') sont rassemblés dans une zone de sortie commune (6).

3. Composant micromécanique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pointe (P ; P1, P2) présente un rayon inférieur dans une zone de quelques micromètres.

4. Composant micromécanique selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les parois internes (7 ; 7') des canaux d'écoulement (10, 10' ; 10, 10', 11, 12, 12' ; 80 ; 80') présentent un arrondi (R ; R, R') dans la zone de sortie commune (6).

5. Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux canaux d'écoulement (10, 10') bifurquent à partir de la zone d'entrée commune (5), en ce que les canaux d'écoulement (10, 10') sont réunis dans une zone médiane commune (11), en ce que deux autres canaux d'écoulement (12, 12') bifurquent à partir de la zone médiane (11), et en ce que les deux autres canaux d'écoulement (12, 12') sont réunis dans une zone de sortie commune (6) qui présente une ramification comportant une autre pointe (P ; P1, P2) sur laquelle les parois internes (7 ; 7') des canaux d'écoulement (12, 12') se divisent.

6. Composant micromécanique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la zone médiane (11) présente des deux côtés une ramification présentant un arrondi (R, R') sur lequel les parois internes (7 ; 7') des canaux d'écoulement (10, 10' ; 10, 10', 11, 12, 12' ; 80 ; 80') se divisent.

7. Composant micromécanique selon la revendication 5, caractérisé par une troisième électrode (20b) destinée à appliquer un troisième potentiel électrique aux parois internes (7') des deux autres canaux d'écoulement (12, 12').

8. Procédé de fabrication d'un composant micromécanique selon la revendication 1, comprenant les étapes consistant à :

prévoir un substrat (50, 60, 70) comportant une couche fonctionnelle micromécanique (50) avec interposition d'une couche d'isolation (60) sur un substrat de plaquette (70) ;

graver des tranchées (80 ; 80') dans la couche fonctionnelle micromécanique (50) pour créer la première électrode (20 ; 20a, 20b) et la deuxième électrode (30) ainsi que les canaux d'écoulement (10, 10' ; 10, 10', 11, 12, 12' ; 80, 80'),

dans lequel les canaux d'écoulement sont formés par agencement de la première électrode en tant qu'électrode centrale et de la deuxième électrode en tant qu'électrode externe ; et

refermer les canaux d'écoulement (10, 10' ; 10, 10', 11, 12, 12' ; 80, 80') par le haut.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, pour refermer les canaux d'écoulement (10, 10' ; 10, 10', 11, 12, 12' ; 80 ; 80') par le haut, un autre substrat (100) est soudé sur la couche fonctionnelle micromécanique (50).

10. Procédé de fabrication d'un composant micromécanique selon la revendication 1, comprenant les étapes consistant à :

prévoir un substrat (70') ;

prévoir une zone de masquage (120) destinée à définir la position des canaux d'écoulement (80 ; 80') ;

graver de manière anodique les canaux d'écoulement (80 ; 80') ;

prévoir la première électrode (20 ; 20a, 20b) et la deuxième électrode (30) dans les zones de masquage (120) ;

dans lequel les canaux d'écoulement sont formés par agencement de la première électrode en tant qu'électrode centrale et de la deuxième électrode en tant qu'électrode externe ; et

refermer les canaux d'écoulement (80 ; 80') par le haut.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, pour refermer les canaux d'écoulement (80 ; 80') par le haut, une couche poreuse (110) est oxydée au-dessus des canaux d'écoulement (80 ; 80').

12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les zones de masquage (120) sont des domaines de dopage ayant un type de dopage opposé à celui du substrat (70').

13. Procédé selon la revendication 10, 11 ou 12, caractérisé en ce que des zones poreuses (110 ; 110') sont prévues dans le substrat (70') au-dessus et en dessous des canaux d'écoulement (80 ; 80').

Zeichnung