DE4105675C1

DE4105675C1 - Miniature electrostatic pump or flow velocity sensor - has semiconductor device sandwiched between facing plates with flow apertures

Info

Publication number: DE4105675C1
Application number: DE19914105675
Authority: DE
Inventors: J. Frieder Dipl.-Phys. 8000 Muenchen De Haag; Anton Dipl.-Ing. Kolbeck (Fh), 8061 Herbertshausen, De; Axel Dipl.-Ing. 8000 Muenchen De Richter; Andreas Dipl.-Ing. 8133 Feldafing De Plettner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-01-30
Filing date: 1991-02-22
Publication date: 1992-04-30
Anticipated expiration: 2011-02-23

Abstract

The pump or sensor comprises a semiconductor device (2) with a fluid flow zone (2') transverse to the fluid flow direction. The remainder is clamped between opposing plates (6, 7) which seal it from the fluid flow. Each plate has a flow opening (8, 9) aligned with the fluid flow zone, at least one of the plates sealed to a fluid line (10, 11) adjacent the flow openings. Pref. the plates extend beyond the semiconductor device on one side and are provided with the electrical connections for the pump or sensor. ADVANTAGE - Microminiaturisation possible by etching process.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baueinheit mit einer durch ätztechnische Verfahren aus einem Halbleiterwerkstoff gebildeten miniaturisierten elektrostatisch betriebenen Pumpe oder einem entsprechenden Durchflußsensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, mit einem Körper mit einem quer zur Fluidströmungsrichtung ausgerichteten Fluiddurch strömungsbereich, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The present invention relates to a structural unit with a by etching processes from a semiconductor material formed miniaturized electrostatically operated Pump or a corresponding flow sensor for determining the flow velocity of a fluid, with a body with a fluid through transverse to the direction of fluid flow flow area, according to the preamble of claim 1.

In jüngster Zeit sind derartige neuartige mikrominiaturi sierte, durch ätztechnische Verfahren aus einem Halbleiter werkstoff gebildete elektrostatisch betriebene Pumpen oder Durchflußsensoren zur Bestimmung der Durchflußgeschwindig keit eines Fluids, nachfolgend kurz Aktoren oder Sensoren genannt, entwickelt worden, die einen von einem Fluid durch strömbaren, sich im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Fluids erstreckenden Durchströmungsbereich aufweisen. Derartige Aktoren sind beispielsweise in der DE 39 25 749 C1 der Anmelderin und derartige Sensoren sind in der deutschen Patentanmeldung P 40 27 704.6-52 beschrieben. Bislang fehlt es an einem geeigneten Gehäuse für einen derartigen hoch empfindlichen, mikrominiaturisierten, durch ätztechnische Verfahren aus einem Halbleiterwerkstoff gebildeten elektro hydrodynamischen Aktor oder Sensor, der einen von einem Fluid durchströmbaren, sich im wesentlichen quer zur Strö mungsrichtung des Fluids erstreckenden Durchströmungsbereich aufweist.Recently, such novel microminiaturi are based on etching technology from a semiconductor material-formed electrostatically operated pumps or Flow sensors to determine the flow rate fluid, hereinafter referred to as actuators or sensors called, developed by a fluid through the flowable, essentially transverse to the flow direction of the fluid extending flow area. Such actuators are for example in DE 39 25 749 C1 the applicant and such sensors are in German Patent application P 40 27 704.6-52 described. So far missing it on a suitable housing for such a high sensitive, microminiaturized, by etching Process formed from a semiconductor material electro hydrodynamic actuator or sensor, one by one Flowable fluid, essentially transverse to the flow direction of flow of the fluid extending area having.

Aus der US 32 67 859 ist ein Gehäuse für eine dielektrische Flüssigkeitspumpe bekannt, welches aus einem nichtleitenden Material, wie zum Beispiel Glas oder Kunststoff, hergestellt ist. Dieses Gehäuse ist zylindrisch ausgebildet und in ihm befinden sich die Elektroden für die dielektrische Flüssig keitspumpe. Der Durchströmungsbereich dieser Elektroden er streckt sich im wesentlichen bis zur Innenwandung des Ge häuses. Anschlußverbindungen in Form von Drähten sind abge dichtet durch die Gehäusewand nach außen geführt. Das Gehäu se weist einander gegenüberliegende Fluiddurchlaßöffnungen auf, an die sich nach außen erstreckende Rohrabschnitte zur Verbindung mit einer Fluidleitung anschließen. Für einen hochempfindlichen, mikrominiaturisierten, durch ätztechni sche Verfahren aus einem Halbleiterwerkstoff gebildeten elehtrohydrodynamischen Aktor oder Sensor, der einen von einem Fluid durchströmbaren, sich im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Fluids erstreckenden Durchströmungsbe reich aufweist, eignet sich das bekannte Gehäuse jedoch nicht.From US 32 67 859 is a housing for a dielectric Liquid pump known, which consists of a non-conductive Material such as glass or plastic is. This housing is cylindrical and in it are the electrodes for the dielectric liquid speed pump. The flow area of these electrodes extends essentially to the inner wall of the Ge house. Connection connections in the form of wires are abge seals out through the housing wall. The case se has opposite fluid passage openings on, to the outwardly extending pipe sections for Connect with a fluid line. For one highly sensitive, microminiaturized, by etching techni cal process formed from a semiconductor material electrohydrodynamic actuator or sensor, one of a fluid can flow through, essentially transverse to Flow direction of the fluid extending Durchströmungsbe rich, the known housing is suitable Not.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Baueinheit mit einem mikrominiaturisierten, durch ätztechni sche Verfahren aus einem Halbleiterwerkstoff gebildeten Aktor oder Sensor zu schaffen, der einen von einem Fluid durchströmbaren Durchströmungsbereich aufweist, die eine Gehäusefunktion erfüllt.The present invention has for its object a Unit with a microminiaturized, by etching cal process formed from a semiconductor material Actuator or sensor to create one of a fluid has flowable flow area that fulfills a housing function.

Diese Aufgabe wird bei einer Baueinheit gemäß dem Oberbe griff des Anspruches 1 durch die im Kennzeichen des Anspru ches 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is carried out in a unit according to the Oberbe handle of claim 1 by the in the characterizing part of the claim Ches 1 specified features solved.

Bei der Baueinheit mit miniaturisiertem, vorteilhafterweise mikrominiaturisiertem Aktor oder Sensor nach der Erfindung ist der unmittelbar von einem Fluid durchströmte, d. h. aktive und mit Elektroden versehene Bereich des Körpers des Aktors oder Sensors gegenüber dem übrigen Bereich des Körpers des Aktors oder Sensors abgedichtet abgetrennt. Dadurch können in dem an den Körper angrenzenden, gegenüber einem Fluid abgetrennten Bereich z. B. Kontakte, elektrische Anschlüsse oder auch Schaltungsbauteile vorgesehen sein, ohne daß diese Elemente mit dem Fluid in Berührung kommen und ggf. einer Gefährdung ihrer Funktionstüchtigkeit ausgesetzt sind. In the unit with miniaturized, advantageously microminiaturized actuator or sensor according to the invention is the fluid directly flowed through, i.e. H. active and electrodeed area of the body of the Actuator or sensor compared to the rest of the area Body of the actuator or sensor sealed separated. This allows in the adjacent to the body, opposite a fluid separated area z. B. contacts, electrical Connections or circuit components can be provided, without these elements coming into contact with the fluid and possibly a threat to their functionality are exposed.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments of the subject matter of the invention are specified in the subclaims.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch ausgezeichnet, daß wenigstens eine der Grundplatten den Körper des Aktors oder des Sensors überragt, wobei jedoch bevorzugt beide Grundplatten den Körper des Aktors oder des Sensors überra gen.An advantageous further education is distinguished by that at least one of the base plates is the body of the actuator or the sensor protrudes, but preferably both Base plates over the body of the actuator or the sensor gene.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch ausge zeichnet, daß an beiden Grundplatten im Bereich der jeweili gen Fluiddurchtrittsöffnung jeweils eine Fluidleitung mit ihrem einen Ende gegenüber einem durchströmenden Fluid abge dichtet befestigt ist. Vorteilhafterweise ist ein Befesti gungsteil an wenigstens einer der beiden Grundplatten im Be reich ihrer Fluiddurchtrittsöffnung zur Befestigung einer Fluidanschlußleitung eines Fluidströmungssystems vorgesehen. In diesem Fall wäre die mit wenigstens einer Grundplatte verbundene Fluidleitung auf dieses Befestigungsteil redu ziert. Dieser Befestigungsteil kann als ein elastisches Ab dichtungsmittel, z. B. ein Dichtungsring, insbesondere ein O-Ring, ausgebildet sein, in das die Fluidleitung hineinge steckt wird.Another advantageous development is characterized records that on both base plates in the area of the respective a fluid line with a fluid passage opening abge one end against a flowing fluid sealed attached. A fastener is advantageous supply part on at least one of the two base plates in the loading rich their fluid passage opening for attaching one Fluid connection line of a fluid flow system is provided. In this case it would be with at least one base plate connected fluid line to this fastening part redu graces. This attachment part can be used as an elastic ab sealant, e.g. B. a sealing ring, in particular a O-ring, be formed, into which the fluid line would go is stuck.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch ausge zeichnet, daß der Befestigungsteil einstückig mit der ihm zugeordneten Grundplatte ausgebildet ist, wobei dann für ei ne fluiddichte Verbindung mit der zugeordneten Fluidleitung zu sorgen ist.A further advantageous development is thereby records that the fastening part in one piece with him assigned base plate is formed, then for egg ne fluid-tight connection with the associated fluid line to be worried.

Eine wiederum andere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch ausgezeichnet, daß das Ende der Fluidleitung mittels einer Klebeverbindung an der zugeordneten Grundplatte befestigt ist.This is yet another advantageous development excellent that the end of the fluid line by means of a Adhesive connection attached to the assigned base plate is.

Von Vorteil ist es, wenn an wenigstens einer der Grundplat ten elektrische äußere Anschlußkontakte vorgesehen sind, die mit zugeordneten elektrischen Anschlüssen des Körpers des Aktors oder Sensors über auf der Grundplatte ausgebildete gedruckte Leiterbahnen verbunden sind. Günstiger Weise wer den die äußeren Kontakte als Steckerkontakte ausgebildet, wodurch eine unmittelbare elektrische Anschlußverbindung möglich ist.It is advantageous if at least one of the base plates th electrical external connection contacts are provided, the with associated electrical connections of the body of the Actuator or sensor via trained on the base plate printed conductor tracks are connected. Conveniently who the outer contacts are designed as plug contacts, creating an immediate electrical connection is possible.

Bevorzugt ist auf wenigstens einer der Grundplatten eine elektrische Ansteuerschaltung oder Auswerte- oder Signalfor mungsschaltung vorgesehen. Dies ermöglicht eine kleine kom pakte Bauweise.One is preferred on at least one of the base plates electrical control circuit or evaluation or signal form mation circuit provided. This enables a small com compact design.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand eines Aus führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe subject matter of the invention is based on an off management example with reference to the drawing explained. It shows

Die einzige Figur eine Schnittdarstellung einer Baueinheit mit einem miniaturisierten Aktor oder Sensor nach der Erfindung.The only figure is a sectional view of an assembly with a miniaturized actuator or Sensor according to the invention.

In der Fig. ist eine Baueinheit dargestellt. Diese Bauein heit weist einen als Pumpe ausgebildeten Aktor auf. Der Aktor umfaßt einen Körper 2, der aus zwei miteinander ver bundenen Teilkörpern 4 und 5 gebildet ist. Die beiden Teil körper 4 und 5 sind jeweils mit einem Fluiddurchströmungsbe reich ausgebildet, so daß sich insgesamt für den Körper ein Fluiddurchströmungsbereich 2′ ergibt. In diesem Fluiddurch strömungsbereich 2′ sind Elektroden 3 angeordnet, die über Anschlußverbindungen mit einem elektrischen Potential beauf schlagt werden können.In FIG. An assembly is illustrated. This unit has an actuator designed as a pump. The actuator comprises a body 2 , which is formed from two interconnected partial bodies 4 and 5 . The two partial bodies 4 and 5 are each formed with a rich fluid flow, so that overall there is a fluid flow area 2 'for the body. In this fluid flow area 2 'electrodes 3 are arranged, which can be struck with an electrical potential via connection connections.

Der Körper 2 des Aktors ist zwischen zwei Grundplatten 6 und 7 angeordnet. Die Grundplatten 6 und 7 bestehen vorteilhaf ter Weise aus einem Halbleitersubstrat, das ebenfalls die (nicht gezeigte) Ansteuerelektronik tragen kann. Die Grund platten 6, 7 können auch aus keramischem Material bestehen. Jede dieser Grundplatten weist eine Fluiddurchtrittsöffnung 8 bzw. 9 auf. Die beiden Fluiddurchtrittsöffnungen 8 und 9 sind zu dem Fluiddurchströmungsbereich 2′ des Körpers 2 so ausgerichtet, daß eine Fluidströmung durch diesen Körper 2 hindurch möglichst nicht behindert wird.The body 2 of the actuator is arranged between two base plates 6 and 7 . The base plates 6 and 7 advantageously consist of a semiconductor substrate which can also carry the control electronics (not shown). The base plates 6 , 7 can also consist of ceramic material. Each of these base plates has a fluid passage opening 8 or 9 . The two fluid passage openings 8 and 9 are aligned to the fluid flow area 2 'of the body 2 so that a fluid flow through this body 2 is not obstructed as far as possible.

Im Bereich der Fluiddurchtrittsöffnung 8 bzw. 9 ist an der Grundplatte 6 bzw. 7 jeweils ein Ende einer Fluidleitung 10 bzw. 11 befestigt. Beide Befestigungen sind hier mittels ei ner Klebeverbindung 12 bzw. 13 durchgeführt.In the area of the fluid passage opening 8 or 9 , one end of a fluid line 10 or 11 is attached to the base plate 6 or 7 . Both attachments are carried out here by means of egg ner adhesive connection 12 or 13 .

Die Verbindung zwischen den Teilkörpern 4 und 5 und der je weils angrenzenden Grundplatte 6 bzw. 7 ist so ausgebildet, daß kein die Baueinheit durchströmendes Fluid durch diese Verbindung hindurchtreten kann. In gleicher Weise ist die Verbindung der Enden der beiden Fluidleitungen 10 bzw. 11 mit der jeweiligen Grundplatte fluiddicht ausgebildet.The connection between the partial bodies 4 and 5 and the respective base plate 6 and 7 , respectively, is designed such that no fluid flowing through the structural unit can pass through this connection. In the same way, the connection of the ends of the two fluid lines 10 and 11 to the respective base plate is designed to be fluid-tight.

Mit 15 sind äußere elektrische Anschlüsse bezeichnet, die über elektrische Leitungsverbindungen, z. B. gedruckte Lei terbahnen 14 mit zugeordneten elektrischen Anschlüssen an den Teilkörpern 4 und 5 des Körpers 2 des Aktors verbunden sind. Die Verbindung ist hier über an beiden Grundplatten 6 und 7 vorgesehene, gedruckte Leiterbahnen hergestellt. Elek trische Bauteile oder auch integrierte Schaltungen mit den erforderlichen Leitungsverbindungen können zwischen den äußeren elektrischen Anschlüssen 15 und den Anschlußkontak ten des Aktors auf wenigstens einer der Grundplatten 6 und 7 untergebracht sein.With 15 external electrical connections are designated, which via electrical line connections, for. B. printed Lei terbahnen 14 with associated electrical connections to the partial bodies 4 and 5 of the body 2 of the actuator are connected. The connection is made here via printed conductor tracks provided on both base plates 6 and 7 . Electrical components or integrated circuits with the required line connections can be accommodated between the outer electrical connections 15 and the connection contacts of the actuator on at least one of the base plates 6 and 7 .

Der Raum zwischen den beiden Grundplatten 6 und 7 kann mit einer Vergußmasse vergossen werden, wodurch, wenn die Grund platten 6 und 7 den Körper überragen, dieser dann von der Vergußmasse vollständig umgeben und damit auch geschützt ist.The space between the two base plates 6 and 7 can be potted with a potting compound, so that when the base plates 6 and 7 protrude beyond the body, this is then completely surrounded by the potting compound and thus also protected.

Generell kann das Vergießen mit einer Vergußmasse auch dazu verwandt werden, eine fluiddichte Verbindung zwischen den beiden Grundplatten und dem zwischen ihnen angeordneten Kör per zu erzielen. Auch ist es im Rahmen der Erfindung mög lich, die Gesamtheit aus den beiden Grundplatten, dem Körper eines Aktors oder Sensors und den beiden Endabschnitten der Fluidleitungen insgesamt nach deren gegenseitiger Ausrich tung mit einer geeigneten Vergußmasse fluiddicht zu vergie ßen. Bei einem solchen Vorgehen ist darauf zu achten, daß keine Vergußmasse in den Fluiddurchströmungsbereich des Kör pers oder auch in die Fluidleitungen eindringen kann.In general, potting with a potting compound can also do this be used, a fluid-tight connection between the two base plates and the body arranged between them to achieve by. It is also possible within the scope of the invention Lich, the entirety of the two base plates, the body an actuator or sensor and the two end sections of the Total fluid lines according to their mutual alignment to be sealed fluid-tight with a suitable potting compound eat. When doing this, make sure that no potting compound in the fluid flow area of the body pers or can penetrate into the fluid lines.

Im Rahmen der Erfindung können auch mehr als ein Aktor oder Sensor bei einer erfindungsgemäßen Baueinheit zwischen denselben Grundplatten vorgesehen sein. So können beispiels weise ein Aktor und ein Sensor hintereinander geschaltet zwischen denselben Grundplatten angeordnet sein, wobei sich dann insgesamt nur ein Fluiddurchstömungsbereich ergibt. Andererseits können ein Aktor und ein Sensor zwischen denselben Grundplatten nebeneinander angeordnet werden, wo bei dann zwei getrennte Fluiddurchströmungsbereiche vorlie gen.Within the scope of the invention, more than one actuator or Sensor in an assembly according to the invention between the same base plates can be provided. For example as an actuator and a sensor connected in series be arranged between the same base plates, whereby then results in a total of only one fluid flow area. On the other hand, an actuator and a sensor can be between the same base plates are arranged side by side where then there are two separate fluid flow areas gene.

Claims

1. Unit with a miniaturized electrostatically operated pump formed by etching processes from a semiconductor material or a corresponding flow sensor for determining the flow speed of a fluid, with a body ( 2 ) with a fluid flow area ( 2 ′) oriented transversely to the direction of fluid flow, characterized in that
that the body ( 2 ) of the pump or the sensor is sandwiched between two base plates ( 6 , 7 ) and connected to them in a sealed manner with respect to a flowing fluid,
that each of the two base plates ( 6 , 7 ) is formed with a fluid passage opening ( 8 , 9 ), each Weil to the fluid flow area ( 2 ') of the body ( 2 ) are substantially aligned, and
that at least one of the two base plates ( 6 , 7 ) in the region of the fluid passage opening ( 8 , 9 ) has a fluid line ( 10 , 11 ) fastened at one end in a sealed manner to a fluid flowing through it.

2. Unit according to claim 1, characterized in that at least one of the base plates ( 6 , 7 ) projects beyond the body ( 2 ) of the pump or the sensor.

3. Unit according to claim 2, characterized in that both base plates ( 6 , 7 ) protrude the body ( 2 ) of the pump or the sensor.

4. Unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that on both base plates ( 6 , 7 ) in the region of the respective fluid passage opening ( 8 , 9 ) each have a fluid line ( 10 ) sealed at one end with respect to a flowing fluid .

5. Assembly according to one of the preceding claims, characterized in that a fastening part on at least one of the two base plates ( 6 , 7 ) in the region of their fluid passage opening ( 8 , 9 ) for fastening the respective fluid line ( 10 ) is provided.

6. Unit according to claim 5, characterized in that the fastening part is integrally formed with the associated base plate ( 6 , 7 ).

7. Unit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fluid line ( 10 ) by means of an adhesive connection ( 12 , 13 ) is attached to the associated base plate ( 6 , 7 ).

8. Unit according to one of the preceding claims, characterized in that on at least one of the base plates ( 6 , 7 ) elec trical outer connections ( 15 ) are provided, the associated electrical connections of the body ( 2 ) of the pump or the sensor on the base plate ( 6 , 7 ) formed printed conductor tracks ( 14 ) are connected.

9. Unit according to one of the preceding claims, characterized in that on at least one of the base plates ( 6 , 7 ) at least one electrical component electrically connected to the pump or the sensor is provided.

10. Unit according to one of the preceding claims, characterized in that at least the body ( 2 ) of the pump or the sensor is at least partially covered with a sealing compound.

11. Unit according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the base plates ( 6 , 7 ) consists of a ceramic material or a semiconductor material.

12. Unit according to one of claims 1 to 10, characterized in that at least one of the base plates ( 6 , 7 ) is integrally formed with the body ( 2 ) of the pump or the sensor.