DE19938055A1 - Aktorbauglied für einen Mikrozerstäuber und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Ein Aktorbauglied für einen piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäuber umfaßt eine in einem Halbleitersubstrat gebildete Membran, einen auf einer Oberfläche der Membran angeordneten piezoelektrischen Aktor, durch den die Membran in Schwingungen versetzbar ist, und eine in dem Halbleitersubstrat gebildete Kanaleinrichtung zum Zuführen einer zu zerstäubenden Flüssigkeit von einem Einlaßende zu der dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegenden Oberfläche der Membran. Ein Mikrozerstäuber unter Verwendung eines derartigen Aktorbauglieds umfaßt eine Halterung, an der das Aktorbauglied derart fixiert ist, daß das Einlaßende fluidmäßig mit einer Flüssigkeitszuführungsleitung verbunden ist, daß die Kanaleinrichtung mit Ausnahme einer fluidmäßigen Verbindung derselben mit der Flüssigkeitszuführungsleitung und der dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegenden Oberfläche der Membran durch die Halterung abgedichtet ist, und daß im Bereich der dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegenden Oberfläche der Membran eine Öffnung der Halterung zum Ausstoß der zerstäubten Flüssigkeit vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Aktorbauglied für einen Mikrozerstäuber und insbesondere auf ein Aktorbau­ glied für einen piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäuber, auf Verfahren zur Herstellung eines solchen Aktorbauglieds sowie auf einen Mikrozerstäuber unter Verwendung eines sol­ chen Aktorbauglieds.

Elemente zur Zerstäubung flüssiger Medien, die im folgenden abgekürzt lediglich als Zerstäuber bezeichnet werden, finden in vielen technischen Bereichen Einsatz, beispielsweise der Kosmetikindustrie zur Zerstäubung von Haarsprays und Par­ füms, in der Medizin als Medikamentensprays, bei unter­ schiedlichen Beschichtungstechniken zur Zerstäubung von Lacken und Klebern, in der Chemie zur Vernebelung von flüs­ sigen Reagenzien, sowie auf dem Gebiet der Haustechnik als Raumluftbefeuchter.

Ein Großteil der derzeit verwendeten Zerstäuber arbeitet mittels einer mechanischen Zerstäubung, bei der die Flüssig­ keit durch einen mechanisch erzeugten Überdruck durch ein Ventil geeigneter Form und Größe gepreßt wird. Dadurch strömt das Medium, d. h. die zu zerstäubende Flüssigkeit, in kleinen Tröpfchen meist statisch verteilt aus und bildet ei­ nen Flüssigkeitsnebel. Der benötigte Überdruck wird manuell durch einen Pumpvorgang, beispielsweise bei Parfümzerstäu­ bern, oder durch Verwendung von Überdruckreservoirs, z. B. Treibgas in Haarsprays, erzeugt.

Neben den oben beschriebenen mechanischen Systemen existie­ ren auch elektrisch angetriebene Vernebler, die auf piezo­ elektrischen Substraten basieren, die elektrisch zum Schwin­ gen angeregt werden. Dabei wird eine auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats befindliche Flüssigkeit durch die entstehenden Kapillarwellen zerstäubt.

In "Micromechanical Ultrasonic Liquid Nebulizer", von R. Pa­ neva u. a., Sensors and Actuators A 62 (1997), S. 765 bis 767, ist ein piezoelektrischer Zerstäuber beschrieben, bei dem durch eine piezoelektrische ZnO-Schicht eine dünne Sili­ ziummembran in Schwingungen versetzt wird, wobei von der dünnen Siliziummembran Flüssigkeiten zerstäubt werden. Der in dieser Schrift beschriebene Zerstäuber arbeitet bei einer Schwingfrequenz von 80 bis 86,5 kHz, wobei der dort offen­ barte Zerstäuber Tröpfchen stark unterschiedlicher Durchmes­ ser erzeugt.

Alle bestehenden mechanischen wie auch piezoelektrischen Sy­ steme besitzen einen Hauptnachteil dahingehend, daß die Tröpfchendurchmesser in einem breiten Bereich variieren. Dies stellt insbesondere bei medizinischen Anwendungen einen großen Nachteil dar. Damit Tröpfchen von der Lunge aufgenom­ men werden, müssen diese einen Durchmesser von etwa 1 bis 5 µm besitzen. Alle bekannten Systeme erreichen dies nur zu einem gewissen Teil, so daß die Wirksamkeit der auf dem Markt befindlichen Zerstäuber nur 10% bis maximal 15% be­ trägt. Das heißt, daß bei den bekannten Zerstäubern das zehnfache Volumen vernebelt werden muß, um die für den Pa­ tienten notwendige Medikamentenmenge in die Lunge zu trans­ portieren. Daneben schwankt bei den bekannten Zerstäubern das zu zerstäubende Volumen einzelner Dosiervorgänge in ei­ nem großen Bereich.

Alle bekannten mechanischen Zerstäuber haben zudem den Nach­ teil, daß Düsen verwendet werden müssen, die sehr anfällig gegen eine Verstopfung sind. Aus diesem Grund sind mechani­ sche Systeme stets ein Wegwerfprodukt. Die Verwendung von Düsen erhöht überdies die Wahrscheinlichkeit einer Fehlbe­ dienung, was insbesondere aus medizinischer Sicht in akuten Situationen ungünstig bzw. sogar gefährlich ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Aktorbauglied für einen Mikrozerstäuber zu schaffen, das zum einen eine Massenfertigung ermöglicht und zum anderen die Zerstäubung von Tröpfchen, die einen definierten Durchmesser aufweisen, mit einem erhöhten Wirkungsgrad ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Aktorbauglied gemäß Anspruch 1 gelöst.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht da­ rin, einen Mikrozerstäuber unter Verwendung eines solchen Aktorbauglieds zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Mikrozerstäuber gemäß An­ spruch 9 gelöst.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht da­ rin, ein Verfahren zum Herstellen eines Aktorbauglieds für einen piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäuber zu schaf­ fen, das eine Massenfertigung derartiger Aktorbauglieder, die die Zerstäubung von Tröpfchen, die einen definierten Durchmesser aufweisen, mit einem hohen Wirkungsgrad ermög­ licht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Aktorbauglied für ei­ nen piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäuber, das eine in einem Halbleitersubstrat gebildete Membran, einen auf einer Oberfläche der Membran angeordneten piezoelektrischen Aktor, um die Membran in Schwingungen zu versetzen, und eine in dem Halbleitersubstrat gebildete Kanaleinrichtung zum Zuführen einer zu zerstäubenden Flüssigkeit von einem Einlaßende zu der dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegenden Oberflä­ che der Membran aufweist.

Das erfindungsgemäße Aktorbauglied nutzt das piezoelektri­ sche Prinzip. Dabei wird eine vorzugsweise in Dünnfilmtech­ nologie hergestellte piezoelektrische Schicht zur Auslenkung einer vorzugsweise in Silizium geätzten dünnen Membran ver­ wendet, die dadurch in Schwingungen versetzt wird. In das Siliziumsubstrat, in dem die Membran gebildet ist, ist fer­ ner eine Kanaleinrichtung gebildet, die zur Zuführung der zu zerstäubenden Flüssigkeit, um eine im wesentlichen gleich­ mäßige Benetzung der dem piezoelektrischen Aktor gegenüber­ liegenden Oberfläche der Membran zu bewirken, dient. Durch die Flüssigkeitszufuhr durch die erfindungsgemäß vorgesehene Kanaleinrichtung, derart, daß die Membran im wesentlichen gleichmäßig benetzt wird, wird erfindungsgemäß verhindert, daß die Tröpfchendurchmesser in einem breiten Bereich vari­ ieren. Das Aktorbauglied der vorliegenden Erfindung ist vor­ zugsweise geeignet angepaßt, um bei einer Frequenz zwischen 2 und 2,5 MHz betrieben zu werden, und derart, daß die durch die Zerstäubung erzeugten Tröpfchen einen Durchmesser zwi­ schen 1 und 5 µm besitzen. Hierzu werden die geometrischen Abmessungen der Membran, die Flüssigkeitszufuhr sowie die verwendete Schwingungsfrequenz als Zerstäubungsparameter ge­ eignet angepaßt, um eine gewünschte Tröpfchengröße einzu­ stellen.

Je nach Größe der Membran kann es erfindungsgemäß vorteil­ haft sein, die Kanaleinrichtung derart auszugestalten, daß dieselbe die zu zerstäubende Flüssigkeit aus unterschied­ lichen Richtungen zu der Membran zuführt. Beispielsweise kann die Membran rechteckig sein, wobei die Kanaleinrichtung die zu zerstäubende Flüssigkeit über die vier Ecken der Mem­ bran zuführt.

Ein erfindungsgemäßer Mikrozerstäuber unter Verwendung eines derartigen Aktorbauglieds umfaßt eine Halterung, an der das Aktorbauglied derart fixiert ist, daß das Einlaßende fluid­ mäßig mit einer Flüssigkeitszuführungsleitung verbunden ist, daß die Kanaleinrichtung mit Ausnahme einer fluidmäßigen Verbindung derselben mit einer Flüssigkeitszuführungsleitung und der dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegenden Ober­ fläche der Membran durch die Halterung abgedichtet ist, und daß im Bereich der dem piezoelektrischen Aktor gegenüberlie­ genden Oberfläche der Membran eine Öffnung der Halterung zum Ausstoß der zerstäubten Flüssigkeit vorgesehen ist.

Die Halterung ist derart ausgebildet, daß das Aktorbauglied ohne weiteres an derselben angebracht werden kann, wobei die Flüssigkeitszuführungsleitung die Halterung vorzugsweise in einer Richtung verläßt, die entgegengesetzt zur Ausstoßrich­ tung der zerstäubten Flüssigkeit ist.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Aktorbauglieds für einen piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäuber, bei dem zunächst ein piezoelek­ trischer Aktor auf eine Hauptoberfläche eines Halbleitersub­ strats aufgebracht wird, woraufhin die dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegende Hauptoberfläche des Halbleitersub­ strats strukturiert wird, um eine Membran, auf der der pie­ zoelektrische Aktor angeordnet ist, und eine Kanaleinrich­ tung, die sich von einem Einlaßende zu der Membran er­ streckt, in derselben festzulegen.

Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Aktorbauglied für einen piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäuber, das durch die Verwendung der Mikromechanik, und insbesondere der Siliziumtechnologie, ein sehr kleines und preisgünstiges Sy­ stem ermöglicht, das in sehr großen Stückzahlen hergestellt werden kann. Durch die oben beschriebenen Eigenschaften des Zerstäubers werden die Tröpfchenverteilung, die Präzision des zu zerstäubenden Volumens und damit im Falle einer medi­ zinischen Anwendung, die medizinische Wirksamkeit erheblich verbessert. Das Aktorbauglied kommt ohne die Verwendung ei­ ner Düse aus, so daß Verstopfungserscheinungen nicht auftre­ ten können. Damit ist das System auch für eine mehrfache Verwendung geeignet, wobei beispielsweise lediglich ein mit der Flüssigkeitszuführungsleitung verbundener Flüssigkeits­ behälter ausgetauscht werden muß. Aufgrund des geringen Lei­ stungsbedarfs des Piezoantriebs ist ferner der Energiever­ brauch reduziert.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab­ hängigen Ansprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a) eine schematische perspektivische Darstellung ei­ nes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Aktorbauglieds;

Fig. 1b) eine schematische perspektivische Darstellung ei­ ner Halterung eines erfindungsgemäßen Mikrozer­ stäubers;

Fig. 2a) und 2b) schematische Darstellungen zur Erläuterung unterschiedlicher Ausführungsbeispiele von Kanal­ einrichtungen erfindungsgemäßer Aktorbauglieder; und

Fig. 3a) bis 3e) schematische Schnittansichten zur Veran­ schaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Aktorbauglieds.

In Fig. 1a) ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Aktorbauglieds gezeigt, bei dem in einer Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats 10 eine Membran 12 gebildet ist. Eine schematische Draufsicht des in Fig. 1a) dargestellten Ausführungsbeispiels ist ferner in Fig. 2a) gezeigt, wobei die folgende Beschreibung bezugneh­ mend auf die Fig. 1a) und 2a) fortgesetzt wird. In diesen Figuren ist jeweils die Zerstäubungsoberfläche der Membran 12 erkennbar, so daß der auf der gegenüberliegenden Oberflä­ che der Membran angeordnete piezoelektrische Aktor in diesen Figuren nicht zu sehen ist. Der piezoelektrische Aktor dient dazu, die Membran 12 in Schwingungen zu versetzen. In der Substratoberfläche, die die Ausnehmung aufweist, durch die die Membran 12 festgelegt ist, ist ferner eine Kanaleinrich­ tung 14 gebildet, die eine Zuführung einer zu zerstäubenden Flüssigkeit zu der Zerstäubungsoberfläche der Membran 12 er­ möglicht. Ferner ist in dieser Hauptoberfläche des Silizium­ substrats 10 eine Ausnehmung 16, die als Medieneinlaß dient, vorgesehen.

Die Kanaleinrichtung 14 liefert eine fluidmäßige Verbindung zwischen dem Medieneinlaß 16 und der Zerstäubungsoberfläche der Membran 12, um eine im wesentlichen gleichmäßige Benet­ zung der Zerstäubungsoberfläche mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit zu ermöglichen. Zu diesem Zweck besitzt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Kanaleinrichtung 14 Kanalabschnitte 14a, 14b, 14c und 14d, die die zu zerstäu­ bende Flüssigkeit aus der Richtung der vier Ecken der im wesentlichen rechteckigen Membran 12 zur Zerstäubungsober­ fläche derselben zuführen. Dabei ist anzumerken, daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Membran 12 durch eine Membranausnehmung festgelegt ist, die mittels eines KOH-Ätz­ verfahrens gebildet wurde, so daß die Seitenwände 18 der Membranausnehmung die in Fig. 1a) zu erkennende Schräge mit einem Winkel von etwa 55 Grad aufweisen. Wie ebenfalls zu erkennen ist, enden die Abschnitte 14a, 14b, 14c und 14d der Kanaleinrichtung 14 jeweils derart im oberen Bereich der ge­ neigten Seitenflächen 18, daß die Zuführung des zu zerstäu­ benden Mediums über die geneigten Seitenflächen 18 stattfin­ det. Darüber hinaus ist anzumerken, daß die Medieneinlaßaus­ nehmung 16 sowie die Kanaleinrichtung 14 ebenfalls durch ein KOH-Ätzen gebildet sein können.

Das derart gebildete Aktorbauglied, wie es beispielsweise in Fig. 1a) gezeigt ist, wird nun zum Aufbau eines Mikrozer­ stäubers in eine Halterung, wie sie beispielsweise in Fig. 1b) gezeigt ist, eingebracht. Zu diesem Zweck weist die Hal­ terung 20 ein Aufnahmefach 22 auf, in das das Aktorbauglied eingebracht wird und in dem dasselbe auf geeignete Weise festgelegt werden kann. Zu diesem Zweck weist die Halterung 20 vorzugsweise Vorsprünge 24 und 26 auf, die das Aktorbau­ glied halten. Ferner ist die Halterung 20 derart ausgebil­ det, daß dieselbe zusammen mit dem Aktorbauglied geschlosse­ ne Kanäle bildet, die mit der Zerstäubungsoberfläche der Membran 12 sowie dem Medieneinlaß 16 fluidmäßig verbunden sind. Die Halterung 20 weist vorzugsweise ferner eine Ein­ richtung 28 zum Anschließen einer Flüssigkeitsleitung 29, vorzugsweise eines Schlauchs, auf, derart, daß die Flüssig­ keitsleitung 29 fluidmäßig mit dem Medieneinlaß 16 verbunden ist. Die Halterung 20 weist ferner eine Öffnung 30 auf, die, wenn das Aktorbauglied in der Halterung 20 montiert ist, oberhalb der Zerstäubungsoberfläche der Membran 12 angeord­ net ist, um somit einen Ausstoß der zerstäubten Flüssigkeit zu ermöglichen. Die Flüssigkeitsleitung 29 ist bezüglich der Öffnung 30 vorzugsweise derart angeordnet, daß die Öffnung 30 beispielsweise in einem Atemkanal eines Inhalators ange­ ordnet sein kein. Zu diesem Zweck verläßt die Flüssigkeits­ leitung 29 die Halterung 20 vorzugsweise gegenüber der Öff­ nung 30, wie in Fig. 1b) gezeigt ist. Die Öffnung 30 kann bei alternativen Ausführungsbeispielen mit einem Gitter ver­ sehen sein, das beispielsweise für eine präzise definierte Tröpfchengröße sorgt oder einen Überkopfbetrieb des Systems zuläßt.

Das in Fig. 1a) dargestellte Aktorbauglied besteht vorzugs­ weise aus Silizium, während die in Fig. 1b) dargestellte Halterung aus Kunststoff, was hinsichtlich des Systempreises vorteilhaft ist, oder jedem beliebigen anderen geeigneten Material hergestellt sein kann. Das Aktorbauglied kann bei­ spielsweise mittels anodischer Bondverfahren an der Halte­ rung angebracht werden, wobei überdies durch derartige ano­ dische Bondverfahren auch eine sehr feste, dichte und stabi­ le Verbindung zu einem weiteren Siliziumchip möglich ist, der wiederum geeignete Kanäle und Flüssigkeitsanschlüsse enthalten kann.

Bei der in Fig. 1b) dargestellten Halterung ist in gestri­ chelten Linien eine Möglichkeit zur fluidmäßigen Verbindung der Einrichtung 28 zum Anschließen einer Flüssigkeitsleitung mit dem Medieneinlaß 16 gezeigt. Dabei ist anzumerken, daß durch das Vorsehen einer entsprechenden Ausnehmung 32 in der Halterung 20 auf die Medieneinlaßausnehmung 16 in dem Sub­ strat 10 des Aktorbauglieds verzichtet werden kann, wenn die Kanaleinrichtung 14 unter der Ausnehmung 32 endet, so daß dadurch eine fluidmäßige Verbindung sichergestellt ist.

Im Betrieb wird über die Flüssigkeitsleitung 29, den Medien­ einlaß 16 und die Kanaleinrichtung 14 die Zerstäubungsober­ fläche der Membran 12 gleichmäßig mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit benetzt. Zu diesem Zweck ist die Flüssigkeits­ leitung 29 mit einem Flüssigkeitsreservoir (nicht darge­ stellt) verbunden, bei dem es sich vorzugsweise um einen Überdruckbehälter handelt, der über ein Ventil fluidmäßig mit der Flüssigkeitsleitung 29 verbindbar ist. Die Membran 12 wird durch den piezoelektrischen Aktor in Schwingungen versetzt, so daß auf der Grundlage der Kapillarwellentheorie die auf der Zerstäubungsoberfläche der Membran 12 befindli­ che Flüssigkeit zerstäubt wird. Während des Zerstäubungs­ vorgangs wird dabei kontinuierlich Zerstäubungsflüssigkeit über die Kanaleinrichtung 14 zugeführt.

Durch diese Vorgehensweise kann durch das erfindungsgemäße Aktorbauglied eine Zerstäubung durchgeführt werden, die Tröpfchen zur Folge hat, deren Durchmesser nicht in einem großen Bereich variieren, sondern deren Durchmesser in einem definierten Bereich, für die Medizintechnik vorzugsweise zwischen 1 und 5 µm gehalten werden kann. Tröpfchen dieser Größenordnung werden unter Verwendung einer Anregungsfre­ quenz des piezeoelektrischen Aktors im Bereich von 2,0 bis 2,5 MHz erhalten, wobei der genaue Wert der Anregungsfre­ quenz eine geringe Abhängigkeit von der Viskosität der zu zerstäubenden Flüssigkeit aufweist.

In Fig. 2b) ist eine schematische Draufsicht einer Kanalein­ richtung 34 gezeigt, wie sie für eine Membran 36 geringer Größe ausreichen kann, um noch eine gleichmäßige Benetzung derselben mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit zu bewirken. Die Kanaleinrichtung 34 ist wiederum fluidmäßig mit einer Ausnehmung 16, die einen Medieneinlaß definiert, verbunden. Die in Fig. 2b) dargestellte Anordnung eignet sich für die Zerstäubung von kleinen Fluidvolumen, während die in Fig. 2a) dargestellte Ausführungsform für die Zerstäubung von größeren Fluidvolumen geeignet ist.

Die Kanäle 14 bzw. 34 wirken neben der Flüssigkeitszufuhr aufgrund der Querschnittsverengung zudem als Flußrestrik­ tion. Bei einem konstanten Ausgangsdruck der Flüssigkeit und durch die mit einem präzisen Querschnitt hergestellten Kanä­ le stellt sich somit ein konstanter Fluß zu der piezoelek­ trischen Membran 12 bzw. 36 ein. Dabei ist zu beachten, daß die Kanäle gemäß der vorliegenden Erfindung mittels der Si­ liziumtechnologie präzise geätzt werden können, so daß eine definierte Zufuhr der Flüssigkeit zu der Zerstäubungsober­ fläche der Membran möglich ist. Somit können durch verschie­ den gewählte Querschnitte die Mikroaktoren gezielt auf die gewünschten Flußmengen eingestellt werden, so daß die Zer­ stäubung sehr präzise definierter Volumina möglich ist.

Beim Einsatz in medizinischen Anwendungen ist die Biover­ träglichkeit der mit den Flüssigkeiten in Berührung kommen­ den Komponenten zu beachten. Dabei werden freiliegende Ober­ flächen, die mit den Flüssigkeiten in Berührung kommen kön­ nen, mit einer Schutzschicht versehen, die vorzugsweise aus Titan oder Titannitrid besteht.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf die Fig. 3a) bis 3e) ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Aktorbau­ glieds beschrieben.

Als Grundmaterial für das Aktorbauglied wird vorzugsweise ein einkristallines Siliziumsubstrat 10 verwendet, das n- oder p-dotiert sein kann. Auf einer Oberfläche des Silizium­ substrats 10 wird eine Ionenimplantation, beispielsweise mit Phosphor, durchgeführt, um eine Membranschicht 40 zu erzeu­ gen. Vorzugsweise wird dabei als Siliziumsubstrat 10 ein p-Silizium verwendet, während die Schicht 40 eine n-leitende Schicht darstellt. Die Schicht 40 dient später ferner als untere Elektrode zur Ansteuerung der piezoelektrischen Schicht. Das Substrat 10, auf dem die Implantationsschicht 40 angeordnet ist, wird nachfolgend einer Oxidation unter­ zogen, um SiO₂-Schichten 42 und 44 zu erzeugen. Der sich er­ gebende Schichtverbund ist in Fig. 3a) dargestellt.

Auf der Rückseite wird nunmehr eine Maskierungsschicht 46 gebildet, die vorzugsweise aus Siliziumnitrid Si₃N₄ besteht und vorzugsweise durch eine chemische Abscheidung, bei­ spielsweise LPCVD (= Low Power Chemical Vapor Deposition), gebildet wird. In der oberen Oxidschicht 42 wird eine Öff­ nung 48 für eine spätere Kontaktierung der Implantations­ schicht 40 gebildet, siehe Fig. 3b).

Die untere Oxidschicht 44 und die Siliziumnitridschicht 46 werden, beispielsweise durch photolithographische Verfahren, strukturiert, um eine Öffnung 50 für das spätere Freiätzen der Membranausnehmung von der Unterseite des Siliziumsub­ strats 10 her zu definieren. Oberhalb dieser Öffnung 50 wird auf der oberen Oxidschicht 42 ein piezoelektrisches Material 52 aufgebracht, das beim fertiggestellten Bauelement als piezoelektrischer Aktor wirkt. Das piezoelektrische Material kann beispielsweise aus AlN, PZT oder ZnO bestehen. Somit ergibt sich die in Fig. 3c) dargestellte Struktur.

Nachfolgend werden Metallisierungen 54 und 56 für die elek­ trische Ansteuerung des piezoelektrischen Elements 52 auf der Oberseite der in Fig. 3c) dargestellten Struktur er­ zeugt, siehe Fig. 3d), woraufhin eine Passivierungsschicht 58 aufgebracht und strukturiert wird, um Öffnungen 60 und 62 zur Kontaktierung der Metallisierungen 54 und 56 zu definie­ ren, siehe Fig. 3e). Nachfolgend wird von der Rückseite her ein durch die vorder- und rückseitig abgeschiedenen Maskie­ rungsschichten begrenztes KOH-Ätzen bis zu der Implanta­ tionsschicht 40, die als Ätzstopp dient, durchgeführt, so daß die Membran 12, die in der Implantationsschicht 40 ge­ bildet ist, erzeugt wird.

Obwohl in Fig. 3 nicht dargestellt, können während dieses KOH-Ätzens gleichzeitig die integrierten Flußkanäle mit ge­ ringerer Tiefe sowie die notwendigen Vertiefungen für den Medieneinlaß gefertigt werden. Alternativ werden ausgehend von dem in Fig. 3e) gezeigten Zustand die unteren Maskie­ rungsschichten 44 und 46 weiter strukturiert, um die Kanäle sowie den Medieneinlaß festzulegen, woraufhin ein weiteres KOH-Ätzen durchgeführt wird, um die Kanäle bzw. den Medien­ einlaß in der Rückseite des Siliziumsubstrats 10 zu erzeu­ gen.

Obwohl oben bezugnehmend auf Fig. 3 ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstel­ lung eines Aktorbauglieds beschrieben wurde, ist es für Fachleute offensichtlich, daß eine unterschiedliche Reihen­ folge der oben beschriebenen Schritte verwendet werden kann, um die Struktur des erfindungsgemäßen Aktorbauglieds, wie es beispielsweise in Fig. 1a) gezeigt ist, in einer Hauptober­ fläche eines Siliziumsubstrats und ferner einen piezoelek­ trischen Antrieb auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats zu erzeugen.

Erfindungsgemäß ist lediglich wesentlich, daß die Ausneh­ mung, die die Membran festlegt, sowie die Zuführungskanäle, die eine gleichmäßige Benetzung der Zerstäubungsoberfläche der Membran sicherstellen, in der gleichen Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats gebildet werden, so daß die vorlie­ gende Erfindung die Massenfertigung von Aktorbaugliedern ge­ ringer Größe kostengünstig und mit einem geringen Energie­ verbrauch ermöglicht.

Claims (15)

1. Aktorbauglied für einen piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäuber mit folgenden Merkmalen:
einer in einem Halbleitersubstrat (10) gebildeten Mem­ bran (12; 36);
einem auf einer Oberfläche der Membran (12; 36) ange­ ordneten piezoelektrischen Aktor (52), mit dem die Membran (12; 36) in Schwingungen versetzbar ist; und
einer in dem Halbleitersubstrat (10) gebildeten Kanal­ einrichtung (14; 34) zum Zuführen einer zu zerstäuben­ den Flüssigkeit von einem Einlaßende zu der dem piezo­ elektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden Oberfläche der Membran (12; 36).

2. Aktorbauglied gemäß Anspruch 1, bei dem die Membran (12; 36) und die Kanaleinrichtung (14; 34) durch Aus­ nehmungen in einer ersten Hauptoberfläche des Halblei­ tersubstrats (10) gebildet sind.

3. Aktorbauglied gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem in der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (10) ferner eine einen Flüssigkeitseinlaß definierende Aus­ nehmung (16), die mit dem Einlaßende der Kanaleinrich­ tung (14; 34) fluidmäßig verbunden ist, gebildet ist.

4. Aktorbauglied gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kanaleinrichtung (14; 34) ausgebildet ist, um eine gleichmäßige Benetzung der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden Oberfläche der Membran (12; 36) zu bewirken.

5. Aktorbauglied gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kanaleinrichtung (14) ausgebildet ist, um eine Zuführung einer zu zerstäubenden Flüssigkeit zu der Membran (12) aus verschiedenen Richtungen zu bewirken.

6. Aktorbauglied gemäß Anspruch 5, bei dem die Membran (12) eine rechteckige Form aufweist, wobei die Kanal­ einrichtung (14) Kanalabschnitte (14a, 14b, 14c, 14d) aufweist, um die zu zerstäubende Flüssigkeit über die vier Ecken der Membran (12) zuzuführen.

7. Aktorbauglied gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der piezoelektrische Aktor (52) die Membran (12; 36) in Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 2 und 2,5 MHz versetzt, derart, daß die durch die Zerstäu­ bung erzeugten Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 1 und 5 µm besitzen.

8. Aktorbauglied gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Kanaleinrichtung (14; 34) als definierte Fluß­ restriktion ausgebildet ist.

9. Mikrozerstäuber mit einem Aktorbauglied gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, der eine Halterung (20) auf­ weist, an der das Aktorbauglied derart fixiert ist, daß
das Einlaßende fluidmäßig mit einer Flüssigkeitszufüh­ rungsleitung (29) verbunden ist;
die Kanaleinrichtung (14; 34) mit Ausnahme einer fluidmäßigen Verbindung derselben mit der Flüssig­ keitszuführungsleitung (29) und der dem piezoelektri­ schen Aktor (52) gegenüberliegenden Oberfläche der Membran (12) durch die Halterung (20) abgedichtet ist; und
im Bereich der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegen­ überliegenden Oberfläche der Membran (12) eine Öffnung (30) der Halterung (20) zum Ausstoßen der zerstäubten Flüssigkeit vorgesehen ist.

10. Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 9, bei dem die Öffnung (30) mit einem Gitter versehen ist.

11. Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die Flüssigkeitszuführungsleitung derart angeordnet ist, daß dieselbe die Halterung (20) in einer zur Ausstoß­ richtung der zerstäubten Flüssigkeit entgegengesetzten Richtung verläßt.

12. Mikrozerstäuber gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Halterung (20) eine als Flüssigkeitseinlaß (32) dienende Ausnehmung aufweist.

13. Verfahren zum Herstellen eines Aktorbauglieds für ei­ nen piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäuber mit folgenden Schritten:

• a) Aufbringen eines piezoelektrischen Aktors (52) auf eine Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats (10, 40); und
• b) Strukturieren der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden Hauptoberfläche des Halbleiter­ substrats, um eine Membran (12), auf der der pie­ zoelektrische Aktor (52) angeordnet ist, und eine Kanaleinrichtung (14; 34), die sich von einem Ein­ laßende zu der Membran (12; 36) erstreckt, in der­ selben festzulegen.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem im Schritt b) ferner ein am Einlaßende der Kanaleinrichtung (14; 34) mit derselben fluidmäßig verbundener Flüssigkeitsein­ laß (16) in der dem piezoelektrischen Aktor (52) ge­ genüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats (10, 40) strukturiert wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem die Mem­ bran (12) durch ein KOH-Ätzen gebildet wird, wobei die Kanaleinrichtung bis zu den durch das KOH-Ätzen gebil­ deten schrägen Seitenwänden (18) der die Membran (12) festlegenden Ausnehmung erzeugt wird.