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EP1200198B1 - Aktorbauglied für einen mikrozerstäuber und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Aktorbauglied für einen mikrozerstäuber und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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Publication number
EP1200198B1
EP1200198B1 EP00949481A EP00949481A EP1200198B1 EP 1200198 B1 EP1200198 B1 EP 1200198B1 EP 00949481 A EP00949481 A EP 00949481A EP 00949481 A EP00949481 A EP 00949481A EP 1200198 B1 EP1200198 B1 EP 1200198B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diaphragm
passage means
microactor
liquid
atomized
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00949481A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1200198A1 (de
Inventor
Ralf Schnupp
Jochen Thomas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1200198A1 publication Critical patent/EP1200198A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1200198B1 publication Critical patent/EP1200198B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers

Definitions

  • the present invention relates to an actuator member for a micro atomizer and in particular on an actuator member for a piezoelectrically operated micro-atomizer, on methods of manufacturing such an actuator member as well as a micro-atomizer using one Aktorbauglieds.
  • Elements for atomizing liquid media the following abbreviated as atomizers used in many technical areas, for example the Cosmetics industry for atomizing hair sprays and perfumes, in medicine as drug sprays, with different Coating techniques for the atomization of Varnishes and adhesives, in chemistry for nebulizing liquid Reagents, as well as in the field of home automation Room humidifier.
  • Much of the atomizer currently in use works by means of mechanical atomization, in which the liquid by a mechanically generated overpressure by a Valve of suitable shape and size is pressed. Thereby the medium flows, i.e. the liquid to be atomized, in small droplets usually distributed statically and forms one Liquid mist.
  • the overpressure required is manual through a pumping process, for example in the case of perfume atomizers, or by using overpressure reservoirs, e.g. Propellant gas in hair sprays.
  • a piezoelectric atomizer is described at a thin silicon membrane thanks to a piezoelectric ZnO layer is vibrated, whereby from the thin silicon membrane liquids are atomized.
  • the atomizer described in this document works at a Vibration frequency from 80 to 86.5 kHz, the one disclosed there Atomizer droplets of widely differing diameters generated.
  • DE 19802368 C1 describes a microdosing device, in which a pressure chamber is delimited on one side by a membrane is, in the pressure chamber an inlet opening and an outlet opening are provided. With a suitable control the membrane is caused to dosing sucked in fluid through the inlet opening and through the Exhaust opening is ejected.
  • This microdosing device works on the basis of a displacement effect and not on the basis of capillary wave theory.
  • DE 69404004 T2 describes a piezoelectric nebulizer known in which liquid using a soft Organ with capillary or felt-like structure, such as an open cell foam, on an atomizing grid, which is set in vibration becomes.
  • WO-A-95/15822 describes an atomizing device based on atomization based on capillary wave theory based.
  • a membrane is in Vibrated to effect atomization.
  • a Liquid to be atomized is passed through openings in the membrane, which penetrate it completely, to the surface the membrane from which the liquid is atomized, fed.
  • the object of the present invention is a To create micro-atomizers, on the one hand, a mass production enables and secondly the atomization of droplets, which have a defined diameter, with a enables increased efficiency, and a method for manufacturing to create such a micro atomizer.
  • micro-atomizer 1 and a method of making a micro-atomizer solved according to claim 13.
  • the actuator member used in the atomizer according to the invention uses the piezoelectric principle. Doing so preferably manufactured in thin film technology piezoelectric Layer for deflecting one, preferably in silicon etched thin membrane used, which results in
  • Vibrations is set.
  • the silicon substrate in which the membrane is formed is also a channel device formed to supply the liquid to be atomized, to ensure an essentially uniform wetting of the piezoelectric actuator opposite surface of the Serves to effect membrane.
  • the actuator member of the atomizer according to the invention is preferred suitably adapted to at a frequency between 2 and 2.5 MHz to be operated, and such that by atomization droplets have a diameter between 1 and have 5 ⁇ m.
  • the geometric dimensions the membrane, the hydration and the used Vibration frequency suitably adapted as an atomization parameter, to set a desired droplet size.
  • the channel device can be designed such that same the liquid to be atomized from different Feeds directions to the membrane.
  • the membrane can be rectangular, the channel device the liquid to be atomized over the four corners of the membrane supplies.
  • a micro-atomizer according to the invention using a such an actuator member may include a bracket which the actuator member is fixed so that the inlet end fluidly connected to a liquid supply line is that the channel device with the exception of a fluid one Connection of the same with a liquid supply line and the one opposite the piezoelectric actuator Surface of the membrane sealed by the bracket is, and that in the area opposite the piezoelectric actuator Surface of the membrane an opening of the Bracket provided to eject the atomized liquid is.
  • the bracket is designed such that the actuator member can be easily attached to the same, the Liquid supply line, the holder preferably in leaves in a direction opposite to the direction of ejection the atomized liquid.
  • the present invention further provides a method for Manufacture of a piezoelectrically operated micro-atomizer, in which first a piezoelectric actuator on a Main surface of a semiconductor substrate is applied, whereupon the one opposite the piezoelectric actuator Main surface of the semiconductor substrate is structured, around a membrane on which the piezoelectric actuator is arranged and a channel device extending from an inlet end extends to the membrane to fix in the same.
  • the actuator member is fixed to a bracket in such a way that the surface opposite the piezoelectric actuator facing the membrane of an opening in the holder is.
  • the present invention thus creates an actuator member for a piezoelectrically operated micro-atomizer, the through the use of micromechanics, and in particular the Silicon technology, a very small and inexpensive system enables that manufactured in very large numbers can be. Due to the properties of the The droplet distribution, the precision, become atomizers of the volume to be atomized and thus in the case of a medical Application, the medical effectiveness significantly improved.
  • the actuator member comes without the use of a Nozzle so that there are no signs of constipation can. So the system is also for a multiple Suitable use, for example, only one with liquid container connected to the liquid supply line needs to be replaced. Because of the low power requirement of the piezo drive is also the energy consumption reduced.
  • Fig. 1a) is a schematic perspective view an embodiment of an actuator member shown in one in a main surface of a silicon substrate 10 Membrane 12 is formed.
  • a schematic top view of the in Fig. 1a) illustrated embodiment is also in Fig. 2a) shown, with reference to the following description to Fig. 1a) and 2a) is continued.
  • the atomizing surface of the membrane 12 recognizable, so that on the opposite surface the piezoelectric actuator arranged in the membrane Figures cannot be seen.
  • the piezoelectric actuator is used to cause the membrane 12 to vibrate.
  • a channel device 14 formed which is a supply of a to be atomized Allows liquid to the atomizing surface of membrane 12. Also in this main surface is the silicon substrate 10 a recess 16 which serves as a media inlet, intended.
  • the channel device 14 provides a fluid connection between the media inlet 16 and the atomizing surface membrane 12 to provide substantially uniform wetting the atomizing surface with the one to be atomized To allow liquid.
  • the channel device 14 Channel sections 14a, 14b, 14c and 14d, which are the to be atomized Liquid from the direction of the four corners of the substantially rectangular membrane 12 to the atomizing surface feed them.
  • the membrane 12 by a Membrane recess is fixed using a KOH etching process was formed so that the side walls 18 of the Membrane recess with the slope to be recognized in Fig. 1a) have an angle of about 55 degrees.
  • sections 14a, 14b, 14c and 14d of FIG Channel device 14 in each case in the upper region of the inclined Side surfaces 18 that the supply of the atomized Medium takes place over the inclined side surfaces 18.
  • the media inlet recess 16 and the channel device 14 also by a KOH etching can be formed.
  • the actuator member formed in this way is now used to build a micro-atomizer into a holder, as shown for example in Fig. 1b) is introduced.
  • the bracket points 20 a receiving compartment 22 into which the actuator member is introduced and in the same in a suitable manner can be set.
  • the bracket points 20 preferably protrusions 24 and 26 on the actuator member hold.
  • the holder 20 is designed such that it is closed together with the actuator member Forms channels that match the atomizing surface of the Membrane 12 and the media inlet 16 fluidly connected are.
  • the holder 20 preferably also has a device 28 for connecting a liquid line 29, preferably a hose, such that the liquid line 29 fluidly connected to the media inlet 16 is.
  • the holder 20 also has an opening 30 which, if the actuator member is mounted in the bracket 20, arranged above the atomizing surface of the membrane 12 is to expel the atomized liquid to enable.
  • the liquid line 29 is relative to the Opening 30 is preferably arranged such that the opening 30 arranged, for example, in an inhalation channel of an inhaler be no. For this purpose leaves the liquid line 29 the bracket 20 preferably opposite the opening 30, as shown in Fig. 1b).
  • the opening 30 can provided with a grid in alternative embodiments be, for example, for a precisely defined Droplet size or overhead operation of the system allows.
  • the actuator member shown in Fig. 1a) is preferably made made of silicon, while that shown in Fig. 1b) Bracket made of plastic, what regarding the system price is advantageous, or any other suitable Material can be made.
  • the actuator member can, for example by means of anodic bonding on the holder be attached, moreover by such anodic Bonding process also a very firm, dense and stable Connection to another silicon chip is possible which in turn has suitable channels and liquid connections may contain.
  • the liquid line 29 with a liquid reservoir (not shown) connected, which is preferably a Pressure tank acts, the fluid via a valve can be connected to the liquid line 29.
  • the membrane 12 is vibrated by the piezoelectric actuator offset so that on the basis of capillary wave theory that on the atomizing surface of the membrane 12 Liquid is atomized. During the atomization process becomes atomizing liquid continuously supplied via the channel device 14.
  • the inventive An actuator atomization can be performed Resulting in droplets whose diameter is not in one vary in large area, but their diameter in one defined area, preferred for medical technology can be kept between 1 and 5 microns.
  • FIG. 2b is a schematic plan view of a channel device 34 shown as lower for a membrane 36 Size can be sufficient to ensure even wetting to effect the same with the liquid to be atomized.
  • the channel device 34 is in turn fluid with a Recess 16, which defines a media inlet, connected.
  • the arrangement shown in Fig. 2b) is suitable for Atomization of small volumes of fluid, while that shown in Fig. 2a) illustrated embodiment for the atomization of larger fluid volume is suitable.
  • the channels 14 and 34 act in addition to the liquid supply due to the narrowing of the cross-section also as a flow restriction. At a constant outlet pressure of the liquid and through the channels made with a precise cross-section thus there is a constant flow to the piezoelectric Membrane 12 or 36 a.
  • the channels according to the present invention using silicon technology can be precisely etched so that a defined supply of the liquid to the atomizing surface the membrane is possible. So can by different selected cross-sections target the microactuators desired flow rates can be set so that the atomization very precisely defined volumes is possible.
  • a protective layer which is preferably made of Titanium or titanium nitride.
  • FIGS. 3a) to 3e) Method for producing an actuator member according to the invention described.
  • a p-silicon is preferably used as the silicon substrate 10, while the layer 40 is an n-conductive layer.
  • Layer 40 later also serves as a lower electrode for driving the piezoelectric layer.
  • the substrate 10 on which the implantation layer 40 is arranged is subsequently subjected to an oxidation in order to produce SiO 2 layers 42 and 44. The resulting layer composite is shown in Fig. 3a).
  • An opening 48 is formed in the upper oxide layer 42 for later contacting of the implantation layer 40, see FIG. 3b).
  • the lower oxide layer 44 and the silicon nitride layer 46 are, for example by photolithographic processes, structured around an opening 50 for later free etching the membrane recess from the bottom of the silicon substrate 10 here to be defined. Above this opening 50 a piezoelectric material on top oxide layer 42 52 applied to the finished device as piezoelectric actuator acts.
  • the piezoelectric material can consist of AlN, PZT or ZnO, for example. Consequently the structure shown in Fig. 3c) results.
  • metallizations 54 and 56 for the electrical Control of the piezoelectric element 52 the top of the structure shown in Fig. 3c), see Fig. 3d), whereupon a passivation layer 58 is applied and patterned around openings 60 and 62 to define the contacting of the metallizations 54 and 56, see Fig. 3e).
  • a passivation layer 58 is applied and patterned around openings 60 and 62 to define the contacting of the metallizations 54 and 56, see Fig. 3e).
  • KOH etching limited KOH etching down to the implantation layer 40, which serves as an etch stop, performed that the membrane 12 formed in the implantation layer 40 is generated.
  • FIG. 3 a preferred embodiment of the inventive method for manufacturing of an actuator member, it is for Experts obviously have a different order the steps described above can be used to the structure of the actuator member according to the invention as it For example, shown in Fig. 1a) in a main surface a silicon substrate and also a piezoelectric Drive on the opposite main surface of the silicon substrate.
  • the recess which defines the membrane, as well as the supply channels, the even wetting of the atomizing surface ensure the membrane is in the same main surface of a silicon substrate are formed, so that the present Invention the mass production of actuator components less Size inexpensive and with low energy consumption allows.

Landscapes

  • Special Spraying Apparatus (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Aktorbauglied für einen Mikrozerstäuber und insbesondere auf ein Aktorbauglied für einen piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäuber, auf Verfahren zur Herstellung eines solchen Aktorbauglieds sowie auf einen Mikrozerstäuber unter Verwendung eines solchen 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 Parfüms, in der Medizin als Medikamentensprays, bei unterschiedlichen Beschichtungstechniken zur Zerstäubung von Lacken und Klebern, in der Chemie zur Vernebelung von flüssigen Reagenzien, sowie auf dem Gebiet der Haustechnik als Raumluftbefeuchter.
Ein Großteil der derzeit verwendeten Zerstäuber arbeitet mittels einer mechanischen Zerstäubung, bei der die Flüssigkeit 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 einen Flüssigkeitsnebel. Der benötigte Überdruck wird manuell durch einen Pumpvorgang, beispielsweise bei Parfümzerstäubern, oder durch Verwendung von Überdruckreservoirs, z.B. Treibgas in Haarsprays, erzeugt.
Neben den oben beschriebenen mechanischen Systemen existieren auch elektrisch angetriebene Vernebler, die auf piezoelektrischen Substraten basieren, die elektrisch zum Schwingen 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. Paneva 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 Siliziummembran 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 offenbarte Zerstäuber Tröpfchen stark unterschiedlicher Durchmesser erzeugt.
Alle bestehenden mechanischen wie auch piezoelektrischen Systeme 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 aufgenommen 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% beträgt. Das heißt, daß bei den bekannten Zerstäubern das zehnfache Volumen vernebelt werden muß, um die für den Patienten notwendige Medikamentenmenge in die Lunge zu transportieren. Daneben schwankt bei den bekannten Zerstäubern das zu zerstäubende Volumen einzelner Dosiervorgänge in einem großen Bereich.
Alle bekannten mechanischen Zerstäuber haben zudem den Nachteil, daß Düsen verwendet werden müssen, die sehr anfällig gegen eine Verstopfung sind. Aus diesem Grund sind mechanische Systeme stets ein Wegwerfprodukt. Die Verwendung von Düsen erhöht überdies die Wahrscheinlichkeit einer Fehlbedienung, was insbesondere aus medizinischer Sicht in akuten Situationen ungünstig bzw. sogar gefährlich ist.
In "Flüssigkeitszerstäubung durch Ultraschall", in Elektronik 10/1979, Seiten 83 bis 86, ist der Ultraschall zerstäubereffekt beschrieben, der nach dem Prinzip der Kapillarwellentheorie funktioniert.
Die DE 19802368 C1 beschreibt eine Mikrodosiervorrichtung, bei der eine Druckkammer einseitig durch eine Membran begrenzt ist, wobei in der Druckkammer eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung vorgesehen sind. Durch eine geeignete Ansteuerung der Membran wird bewirkt, daß für einen Dosiervorgang durch die Einlaßöffnung Fluid angesaugt und durch die Auslaßöffnung ausgestossen wird. Diese Mikrodosiervorrichtung arbeitet auf der Grundlage eines Verdrängungseffekts und nicht auf der Grundlage der Kapillarwellentheorie.
Aus der DE 69404004 T2 ist ein piezoelektrischer Vernebler bekannt, bei dem Flüssigkeit unter Verwendung eines weichen Organs mit kapillarer oder filzartiger Struktur, wie beispielsweise einem offenzelligen Schaumstoff, auf ein Zerstäubungsgitter, das in Schwingungen versetzt wird, aufgebracht wird.
In der WO-A-95/15822 ist eine Zerstäubungsvorrichtung beschrieben, die auf einer Zerstäubung basierend auf der Kapillarwellentheorie beruht. Dabei wird eine Membran in Schwingungen versetzt, um die Zerstäubung zu bewirken. Eine zu zerstäubende Flüssigkeit wird durch Öffnungen in der Membran, die dieselbe vollständig durchdringen, auf die Oberfläche der Membran, von der die Flüssigkeit zerstäubt wird, zugeführt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mikrozerstäuber zu schaffen, der zum einen eine Massenfertigung ermöglicht und zum anderen die Zerstäubung von Tröpfchen, die einen definierten Durchmesser aufweisen, mit einem erhöhten Wirkungsgrad ermöglicht, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Mikrozerstäubers zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrozerstäubers nach Anspruch 13 gelöst.
Das bei dem erfindungsgemäßen Zerstäuber verwendete Aktorbauglied nutzt das piezoelektrische Prinzip. Dabei wird eine vorzugsweise in Dünnfilmtechnologie hergestellte piezoelektrische Schicht zur Auslenkung einer vorzugsweise in Silizium geätzten dünnen Membran verwendet, die dadurch in
Schwingungen versetzt wird. In das Siliziumsubstrat, in dem die Membran gebildet ist, ist ferner eine Kanaleinrichtung gebildet, die zur Zuführung der zu zerstäubenden Flüssigkeit, um eine im wesentlichen gleichmäßige Benetzung der dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegenden 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 variieren. Das Aktorbauglied des erfindungsgemäßen Zerstäubers ist vorzugsweise 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 zwischen 1 und 5 µm besitzen. Hierzu werden die geometrischen Abmessungen der Membran, die Flüssigkeitszufuhr sowie die verwendete Schwingungsfrequenz als Zerstäubungsparameter geeignet angepaßt, um eine gewünschte Tröpfchengröße einzustellen.
Je nach Größe der Membran kann es erfindungsgemäß vorteilhaft sein, die Kanaleinrichtung derart auszugestalten, daß dieselbe die zu zerstäubende Flüssigkeit aus unterschiedlichen Richtungen zu der Membran zuführt. Beispielsweise kann die Membran rechteckig sein, wobei die Kanaleinrichtung die zu zerstäubende Flüssigkeit über die vier Ecken der Membran zuführt.
Ein erfindungsgemäßer Mikrozerstäuber unter Verwendung eines derartigen Aktorbauglieds kann eine Halterung umfassen, 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 einer 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.
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 Ausstoßrichtung der zerstäubten Flüssigkeit ist.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäubers, bei dem zunächst ein piezoelektrischer Aktor auf eine Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats aufgebracht wird, woraufhin die dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegende Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats strukturiert wird, um eine Membran, auf der der piezoelektrische Aktor angeordnet ist, und eine Kanaleinrichtung, die sich von einem Einlaßende zu der Membran erstreckt, in derselben festzulegen. Das Aktorbauglied wird an einer Halterung derart fixiert, daß die dem piezoelektrischen Aktro gegenüberliegende Oberfläche der Membran einer Öffnung in der Halterung zugewandt ist.
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 System 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 medizinischen Anwendung, die medizinische Wirksamkeit erheblich verbessert. Das Aktorbauglied kommt ohne die Verwendung einer Düse aus, so daß Verstopfungserscheinungen nicht auftreten können. Damit ist das System auch für eine mehrfache Verwendung geeignet, wobei beispielsweise lediglich ein mit der Flüssigkeitszuführungsleitung verbundener Flüssigkeitsbehälter ausgetauscht werden muß. Aufgrund des geringen Leistungsbedarfs des Piezoantriebs ist ferner der Energieverbrauch reduziert.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a)
eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Aktorbauglieds;
Fig. 1b)
eine schematische perspektivische Darstellung einer Halterung eines erfindungsgemäßen Mikrozerstäubers;
Fig. 2a) und 2b)
schematische Darstellungen zur Erläuterung unterschiedlicher Ausführungsbeispiele von Kanaleinrichtungen erfindungsgemäßer Aktorbauglieder; und
Fig. 3a) bis 3e)
schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung 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 bezugnehmend 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 Oberfläche 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 Kanaleinrichtung 14 gebildet, die eine Zuführung einer zu zerstäubenden Flüssigkeit zu der Zerstäubungsoberfläche der Membran 12 ermöglicht. Ferner ist in dieser Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 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 Benetzung 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 zerstäubende Flüssigkeit aus der Richtung der vier Ecken der im wesentlichen rechteckigen Membran 12 zur Zerstäubungsoberfläche derselben zuführen. Dabei ist anzumerken, daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Membran 12 durch eine Membranausnehmung festgelegt ist, die mittels eines KOH-Ätzverfahrens 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 geneigten Seitenflächen 18, daß die Zuführung des zu zerstäubenden Mediums über die geneigten Seitenflächen 18 stattfindet. Darüber hinaus ist anzumerken, daß die Medieneinlaßausnehmung 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 Mikrozerstäubers in eine Halterung, wie sie beispielsweise in Fig. 1b) gezeigt ist, eingebracht. Zu diesem Zweck weist die Halterung 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 Aktorbauglied halten. Ferner ist die Halterung 20 derart ausgebildet, daß dieselbe zusammen mit dem Aktorbauglied geschlossene Kanäle bildet, die mit der Zerstäubungsoberfläche der Membran 12 sowie dem Medieneinlaß 16 fluidmäßig verbunden sind. Die Halterung 20 weist vorzugsweise ferner eine Einrichtung 28 zum Anschließen einer Flüssigkeitsleitung 29, vorzugsweise eines Schlauchs, auf, derart, daß die Flüssigkeitsleitung 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 angeordnet 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 angeordnet sein kein. Zu diesem Zweck verläßt die Flüssigkeitsleitung 29 die Halterung 20 vorzugsweise gegenüber der Öffnung 30, wie in Fig. 1b) gezeigt ist. Die Öffnung 30 kann bei alternativen Ausführungsbeispielen mit einem Gitter versehen sein, das beispielsweise für eine präzise definierte Tröpfchengröße sorgt oder einen Überkopfbetrieb des Systems zuläßt.
Das in Fig. 1a) dargestellte Aktorbauglied besteht vorzugsweise 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 beispielsweise mittels anodischer Bondverfahren an der Halterung angebracht werden, wobei überdies durch derartige anodische Bondverfahren auch eine sehr feste, dichte und stabile Verbindung zu einem weiteren Siliziumchip möglich ist, der wiederum geeignete Kanäle und Flüssigkeitsanschlüsse enthalten kann.
Bei der in Fig. 1b) dargestellten Halterung ist in gestrichelten 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 Substrat 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 Medieneinlaß 16 und die Kanaleinrichtung 14 die Zerstäubungsoberfläche der Membran 12 gleichmäßig mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit benetzt. Zu diesem Zweck ist die Flüssigkeitsleitung 29 mit einem Flüssigkeitsreservoir (nicht dargestellt) 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 befindliche Flüssigkeit zerstäubt wird. Während des Zerstäubungsvorgangs 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 Anregungsfrequenz des piezeoelektrischen Aktors im Bereich von 2,0 bis 2,5 MHz erhalten, wobei der genaue Wert der Anregungsfrequenz eine geringe Abhängigkeit von der Viskosität der zu zerstäubenden Flüssigkeit aufweist.
In Fig. 2b) ist eine schematische Draufsicht einer Kanaleinrichtung 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 Flußrestriktion. Bei einem konstanten Ausgangsdruck der Flüssigkeit und durch die mit einem präzisen Querschnitt hergestellten Kanäle stellt sich somit ein konstanter Fluß zu der piezoelektrischen Membran 12 bzw. 36 ein. Dabei ist zu beachten, daß die Kanäle gemäß der vorliegenden Erfindung mittels der Siliziumtechnologie präzise geätzt werden können, so daß eine definierte Zufuhr der Flüssigkeit zu der Zerstäubungsoberfläche der Membran möglich ist. Somit können durch verschieden gewählte Querschnitte die Mikroaktoren gezielt auf die gewünschten Flußmengen eingestellt werden, so daß die Zerstäubung sehr präzise definierter Volumina möglich ist.
Beim Einsatz in medizinischen Anwendungen ist die Bioverträglichkeit der mit den Flüssigkeiten in Berührung kommenden Komponenten zu beachten. Dabei werden freiliegende Oberflächen, die mit den Flüssigkeiten in Berührung kommen können, 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 Aktorbauglieds beschrieben.
Als Grundmaterial für das Aktorbauglied wird vorzugsweise ein einkristallines Siliziumsubstrat 10 verwendet, das n-oder p-dotiert sein kann. Auf einer Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 wird eine Ionenimplantation, beispielsweise mit Phosphor, durchgeführt, um eine Membranschicht 40 zu erzeugen. 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 unterzogen, um SiO2-Schichten 42 und 44 zu erzeugen. Der sich ergebende 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, beispielsweise LPCVD (= Low Power Chemical Vapor Deposition), gebildet wird. In der oberen Oxidschicht 42 wird eine Öffnung 48 für eine spätere Kontaktierung der Implantationsschicht 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 Siliziumsubstrats 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 elektrische Ansteuerung des piezoelektrischen Elements 52 auf der Oberseite der in Fig. 3c) dargestellten Struktur erzeugt, siehe Fig. 3d), woraufhin eine Passivierungsschicht 58 aufgebracht und strukturiert wird, um Öffnungen 60 und 62 zur Kontaktierung der Metallisierungen 54 und 56 zu definieren, siehe Fig. 3e). Nachfolgend wird von der Rückseite her ein durch die vorder- und rückseitig abgeschiedenen Maskierungsschichten begrenztes KOH-Ätzen bis zu der Implantationsschicht 40, die als Ätzstopp dient, durchgeführt, so daß die Membran 12, die in der Implantationsschicht 40 gebildet ist, erzeugt wird.
Obwohl in Fig. 3 nicht dargestellt, können während dieses KOH-Ätzens gleichzeitig die integrierten Flußkanäle mit geringerer Tiefe sowie die notwendigen Vertiefungen für den Medieneinlaß gefertigt werden. Alternativ werden ausgehend von dem in Fig. 3e) gezeigten Zustand die unteren Maskierungsschichten 44 und 46 weiter strukturiert, um die Kanäle sowie den Medieneinlaß festzulegen, woraufhin ein weiteres KOH-Ätzen durchgeführt wird, um die Kanäle bzw. den Medieneinlaß in der Rückseite des Siliziumsubstrats 10 zu erzeugen.
Obwohl oben bezugnehmend auf Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Aktorbauglieds beschrieben wurde, ist es für Fachleute offensichtlich, daß eine unterschiedliche Reihenfolge der oben beschriebenen Schritte verwendet werden kann, um die Struktur des erfindungsgemäßen Aktorbauglieds, wie es beispielsweise in Fig. 1a) gezeigt ist, in einer Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats und ferner einen piezoelektrischen Antrieb auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats zu erzeugen.
Erfindungsgemäß ist lediglich wesentlich, daß die Ausnehmung, 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 vorliegende Erfindung die Massenfertigung von Aktorbaugliedern geringer Größe kostengünstig und mit einem geringen Energieverbrauch ermöglicht.

Claims (15)

  1. Piezoelektrisch betriebener Kapillarwellentheorie-Mikrozerstäuber mit folgenden Merkmalen:
    einer in einem Halbleitersubstrat (10) gebildeten Membran (12; 36);
    einem auf einer Oberfläche der Membran (12; 36) angeordneten piezoelektrischen Aktor (52), um die Membran (12; 36) in Schwingungen zu versetzen; und
    einer in dem Halbleitersubstrat (10) gebildeten Kanaleinrichtung (14; 34) zum Zuführen einer zu zerstäubenden Flüssigkeit von einem Einlaßende zu der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden Oberfläche der Membran (12; 36), wobei durch die Schwingungen der Membran (12; 36) die zu der Oberfläche der Membran zugeführte Flüssigkeit auf der Grundlage der Kapillarwellentheorie zerstäubt und durch einen gegenüber der Membran angeordneten Auslaß (30) ausgestossen wird, wobei die Kanaleinrichtung (14; 34) durch zumindest eine, das Substrat nicht durchdringende rillenartige Struktur gebildet ist, die in der Oberfläche des Substrats, von der die zugeführte Flüssigkeit zerstäubt wird, in dem Substrat vorgesehen ist.
  2. Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 1, bei dem die Membran (12; 36) und die Kanaleinrichtung (14; 34) durch Ausnehmungen in einer ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (10) gebildet sind.
  3. Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem in der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (10) ferner eine einen Flüssigkeitseinlaß definierende Ausnehmung (16), die mit dem Einlaßende der Kanaleinrichtung (14; 34) fluidmäßig verbunden ist, gebildet ist.
  4. Mikrozerstäuber 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. Mikrozerstäuber 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. Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 5, bei dem die Membran (12) eine rechteckige Form aufweist, wobei die Kanaleinrichtung (14) Kanalabschnitte (14a, 14b, 14c, 14d) aufweist, um die zu zerstäubende Flüssigkeit über die vier Ecken der Membran (12) zuzuführen.
  7. Mikrozerstäuber 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 Zerstäubung erzeugten Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 1 und 5 µm besitzen.
  8. Mikrozerstäuber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Kanaleinrichtung (14; 34) als definierte Flußrestriktion ausgebildet ist.
  9. Mikrozerstäuber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, der eine Halterung (20) aufweist, an der das Halbleitersubstrat derart fixiert ist, daß
    das Einlaßende fluidmäßig mit einer Flüssigkeitszuführungsleitung (29) verbunden ist;
    die Kanaleinrichtung (14; 34) mit Ausnahme einer fluidmäßigen Verbindung derselben mit der Flüssigkeitszuführungsleitung (29) und der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden Oberfläche der Membran (12) durch die Halterung (20) abgedichtet ist; und
    im Bereich der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden 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 Ausstoßrichtung 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 piezoelektrisch betriebenen Kapillarwellentheorie-Mikrozerstäubers zum Zerstäuben einer auf eine Oberfläche einer Membran zugeführten Flüssigkeit auf der Grundlage der Kapillarwellentheorie, mit folgenden Schritten:
    a) Erzeugen eines Aktorbauglieds durch folgende Teilschritte:
    a1) Aufbringen eines piezoelektrischen Aktors (52) auf eine Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats (10, 40);
    a2) Strukturieren der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, um die Membran (12), auf der der piezoelektrische Aktor (52) angeordnet ist, und zumindest eine Kanaleinrichtung (14; 34) in der Form einer rillenartigen, das Substrat nicht durchdringenden Struktur, die sich von einem Einlaßende zu der Membran (12; 36) erstreckt, in derselben festzulegen; und
    b) Fixieren des Aktorbauglieds an einer Halterung (30), so daß die dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegende Oberfläche der Membran einer Öffnung in der Halterung zugewandt ist.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem im Schritt a2) ferner ein am Einlaßende der Kanaleinrichtung (14; 34) mit derselben fluidmäßig verbundener Flüssigkeitseinlaß (16) in der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats (10, 40) strukturiert wird.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem die Membran (12) durch ein KOH-Ätzen gebildet wird, wobei die Kanaleinrichtung bis zu den durch das KOH-Ätzen gebildeten schrägen Seitenwänden (18) der die Membran (12) festlegenden Ausnehmung erzeugt wird.
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