EP2232070B1

EP2232070B1 - Mikropumpe

Info

Publication number: EP2232070B1
Application number: EP08870391A
Authority: EP
Inventors: Julia Cassemeyer; Michael Stumber; Franz Laermer; Ralf Reichenbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: TW200946444A; WO2009087025A1; DE102008003792A1; EP2232070A1; US8607450B2; TWI510426B; US20110034873A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1H.
Mikropumpen zur kontrollierten und hochgenauen Abgabe von Insulin sind im Grundsatz bekannt. Bisherige Mikropumpen leiden jedoch unter komplexen Herstellungsprozessen mit vielen Nicht-Standardprozessschritten. Die vielen Sonderprozessschritte nach dem bisherigen Stand der Technik machen derartige Mikropumpen teuer und erniedrigen die Fertigungsausbeuten.
Darüber hinaus sind bekannte Mikropumpen nicht genau genug hinsichtlich der abgegebenen Wirkstoffmengen. Mikropumpen zur Insulinabgabe müssen jedoch sehr präzise mit hoher Dosiergenauigkeit arbeiten, und zwar ohne aufwändige Sensorik zur Erfassung abgegebener Insulinmengen. Eine aktive Flussmessung ist im Zusammenhang mit Insulin sehr problematisch, weil der Stoff auf erhöhte Temperaturen, etwa im Zusammenhang mit sogenannten Heißfilmsensoren zur Flussmessung, schädlich reagiert.
Ein schwerwiegender Nachteil bisheriger Mikropumpen ist zudem die mangelnde Sicherheit: so ist beispielsweise bei Mikropumpen nach dem bisherigen Stand der Technik die abgegebene Insulinmenge abhängig vom Vordruck im Insulinvorratsbehälter, der, wenn er als flexibler Beutel ausgelegt ist, mechanisch unter Druck gesetzt werden kann. Beispielsweise kann ein Setzen, oder Liegen des Pumpenträgers auf der Insulinmikropumpe den Vorratsbehälter zu einer ungewollten Insulinabgabe, bzw. zu einer ungewollten Erhöhung der gerade abgegebenen Dosis führen. Angesichts der Gefährlichkeit einer Insulinüberdosierung ist dies unter allen Umständen zu vermeiden.
In der EP 1 651 867 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe beschrieben. Die Fertigung der bekannten Mikropumpe ist äußerst aufwändig, da während des Herstellungsprozesses, bei dem unterschiedliche Siliziumschichten von zwei entgegengesetzten Seiten her strukturiert werden, immer wieder, beispielsweise in den Fig. 3b und 3c der Druckschrift gezeigte, fragile Zwischenzustände entstehen, die aufwändig abgestützt werden müssen, um eine Zerstörung der Mikropumpe bereits bei deren Fertigung zu vermeiden. Aus der DE 10 2005 032452 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von kommunizierenden Hohlräumen bekannt, wobei alle Prozessschritte im Wesentlichen von einer Seite auf das Siliziumsubstrat angewendet werden. Aus der DE 10 2005042648 A1 ist ebenfalls ein solches Verfahren bekannt.
Die EP 1393469 A2 zeigt ein Halbleiterbauelement mit Bereichen unterschiedlicher Porenstruktur und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Das Halbleitersubstrat weist zwei Teilbereiche auf, die sich in ihrer Porenstruktur unterscheiden.
Die DE 10 2005 052 039 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe und ein durch dieses Verfahren hergestellte Mikropumpe, bei dem die Mikropumpe aus einem Kompositsubstrat und aus einem Halbleitermaterial und einem anodisch bondbaren Glas hergestellt wird. Hierbei werden zunächst im andische bondbaren Glas innere Strukturen festgelegt und gleichzeitig in einem aufzubringenden zweiten planaren Substrat weitre innere Strukturen festgelegt.
Die EP 0424087 A1 beschreibt eine Mikropumpe mit piezoelektrischen Mitteln, welche Teil einer Wand eines Reservoirs bilden, um somit Flüssigkeit in bzw. aus dem Reservoir zu befördern. Dabei kann eine Ventilklappe mittels einer Feder festgehalten werden.
Die US 5520522 beschreibt eine Mikropumpe welche mittels magnetstriktiven oder elektrostriktiven Elementen arbeitet, um auf Fehlerelemente zu verzichten.
Offenbarung der Enfinung
Die Erfindung führt auf eine Mikropumpe, insbesondere zum hochgenauen Fördern von Insulin, wobei die Mikropumpe mehrere Funktionselemente, wie mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil und mindestens eine Pumpkammer aufweist. Eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Mikropumpe zeichnet sich dadurch aus, dass sämtliche derartige Funktionselemente der Mikropumpe ausschließlich durch Strukturierung von Schichten aus einer Richtung hergestellt sind. Anders ausgedrückt werden die Funktionselemente nicht durch zweiseitige Strukturierungsprozesse, sondern lediglich durch Strukturierungsprozesse erzeugt, die von einer Richtung und von einer Seite her erfolgen. Hierdurch können fragile Fertigungszustände vermieden werden und die Mikropumpe somit großtechnisch mit hoher Ausbeute hergestellt werden.
Von besonderem Vorteil ist bei der Erfindung, bei der das mindestens eine, vorzugsweise das ausschließlich eine Einlassventil, mindestens eine Spiralfeder umfasst, die derart angeordnet ist, dass sie eine in Z-Richtung weiche Aufhängung des Ventilstempels des Einlassventils gewährleistet. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform mit mehreren ineinander verschachtelten Spiralfedern, um unerwünschten Materialstress abbauen zu können.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Mikropumpe eine Trägerschicht, insbesondere aus Borosilikatglas, auf, in der mindestens ein Fluidkanal, insbesondere ein Einlasskanal und/oder ein Auslasskanal, eingebracht sind/ist. Bevorzugt begrenzt die Trägerschicht zusätzlich die Pumpkammer unmittelbar.
Im Hinblick auf einen Einsatz der Mikropumpe als Insulin-Förderpumpe zur hochgenauen Insulindosierung ist eine Ausführungsform besonders bevorzugt, bei der das Einlassventil der Mikropumpe mittels mindestens eines Aktuators, vorzugsweise eines Piezoaktuators, aktiv abdichtbar ist, also eine Ausführungsform, bei der das Einlassventil der Mikropumpe durch eine entsprechende Aktivierung mindestens eines Aktuators geschlossen gehalten werden kann, um somit einen Insulineintritt in die Mikropumpe selbst für den Fall zu verhindern, dass der Insulinvorrat selbst mit Druck beaufschlagt wurde. Anders ausgedrückt wird das Fördervolumen der Mikropumpe hierdurch unabhängig vom Vordruck im Insulinvorratsbehältnis. Hierdurch kann eine hohe Dosiergenauigkeit erreicht werden. Durch die beschriebene Ausführungsform werden vor allem unerwünschte Wirkstoff-Flüsse bzw. Rückflüsse von einer geforderten Dosiermenge unterdrückt und die Dosierabgabe streng an ein sogenanntes "Stroke-Volumen", das ist die Menge, die einem Pumpenstoß bzw. "Stroke" entspricht, gekoppelt.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der eine, insbesondere an einem Ventilstempel angeordnete, Ventildichtfläche des Einlassventils mittels mindestens eines Aktuators gegen die Trägerschicht pressbar ist um somit ein ungewolltes Einströmen von Fluid, insbesondere Insulin in die Mikropumpe zu vermeiden. Bevorzugt ist auch eine Ventildichtfläche eines Auslassventils mittels mindestens eines Aktuators aktiv gegen die Trägerschicht pressbar.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Mikropumpe eignet sich ein Verfahren beidem die erzeugte Einlassventilstruktur und/oder die Auslassventilstruktur mindestens einen Spiralfederabschnitt umfassen. Dabei trägt die mindestens eine Spiralfeder bevorzugt den Ventilstempel des jeweiligen Ventils. Es können auch mehrere, beispielsweise zwei bis fünf, derartiger Spiralfedern, bevorzugt drei Spiralfedern, so ineinander geschachtelt werden, dass der zentrale Ventilstempel völlig symmetrisch von diesen gehalten wird und sich jeglicher Eigenspannung in den Federn durch eine minimale Verdrehung des Ventilstempels vollständig abbauen kann. Durch die relativ großen Federlängen wird dabei eine weiche Aufhängung des zentralen Ventilstempels in Z-Richtung (also senkrecht zur Flächenerstreckung der ersten und zweiten Trägerschicht) realisiert, wobei die Federhöhe nahezu der gesamten Funktionsschichthöhe entspricht. In diesem Zustand sitzt der mindestens eine Einlassventilstempel und/oder der mindestens eine Auslassventilstempel noch fest auf der unterhalb der Funktionsschicht angeordneten Stopp- bzw. Opferschicht.
Insbesondere um den Einlassventilstempel in Z-Richtung verstellbar zu machen und/oder die Pumpkammer und/oder die Auslassventilkammer zu vergrößern, wird in Weiterbildung der Erfindung bevorzugt die an die Funktionsschicht angrenzende (obere) als Opferschicht dienende Stoppschicht, beispielsweise mit Hilfe von flüssiger oder dampfförmiger Flusssäure in an sich bekannter Weise entfernt. Nach diesem Ätzvorgang ist die Funktionseinheit "Einlassventil" frei beweglich und kann somit in Z-Richtung ausgelenkt werden. Der Abstand der mindestens einen Spiralfeder zur BasisSchicht entspricht nun bevorzugt der Dicke der zuvor entfernten_Stoppschicht (Opferschicht) von vorzugsweise etwa 4 bis 5 µm. Es ist vorteilhaft, dass bei dem beschriebenen Ätzprozess möglichst viele Bereiche der erwähnten Stoppschicht mit entfernt werden, da diese später unerwünschte Druckspannungen in den mechanischen Aufbau der Mikropumpe eintragen würden.
Im Folgenden wird die Funktionsweise eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Mikropumpe beschrieben: Bevorzugt wird die Mikropumpe inklusive eines Wirkstoffvorrats (vorzugsweise eines Insulinvorrats) und ggf. auch angeschlossener Injektionsnadel oder Mikronadelarray vorzugsweise als sogenanntes "Disposable" - ein Wegwerfartikel - in eine Vorrichtung montiert, insbesondere eingeklippst, die für den Endbenutzer die sogenannte "Pumpe" darstellt. Die "Pumpe" enthält bevorzugt die Steuerelektronik, die Energieversorgung z.B. durch Batterien oder Akkumulatoren, ein Benutzer-Interface und/oder eine drahtlose Schnittstelle zu einem Benutzer-Interface oder zu einer telemedizinischen Einrichtung, oder eventuell auch eine drahtlose Schnittstelle zu einer Blutzuckerwertbestimmungseinrichtung, die gemessene Blutzuckerdaten an die "Pumpe" zur weiteren Verarbeitung übermittelt. Die "Pumpe" enthält bevorzugt auch die Aktuatoren der Mikropumpe. Hierbei handelt es sich um bis zu drei Aktuatoren, bevorzugt um drei Aktuatoren, die an dafür vorgesehenen Stellen auf die Mikropumpe einwirken, bevorzugt auf das Einlassventil, auf die Pumpenmembran (also auf die Pumpkammer) und auf das Auflassventil. Die bis zu drei Aktuatoren können bevorzugt in Form von sogenannten Piezostacks ausgeführt werden, d.h. Anordnungen von kaskadenartig hintereinander geschalteten piezoelektrischen Scheiben oder Einzelelementen zu jeweils einem Piezoaktuator, der sich durch eine angelegte elektrische Spannung in seiner Länge verkürzt oder verlängert, je nach Polung der elektrischen Spannung relativ zur Polarisation der Piezoelemente.
Zunächst wird die Pumpenfunktion mit einer Anordnung aus drei Aktuatoren beschrieben, obwohl es auch möglich ist, auf einzelne Aktuatoren zu verzichten und die entsprechende, damit verbundene Teilfunktion oder zusätzliche Sicherheit aufzugeben.
Nach der Montage der Mikropumpe in der dafür vorgesehenen Aufnahmevorrichtung ("Pumpe") werden die Aktuatoren konditioniert, d.h. einmal in eine definierte Position gebracht und dort fixiert:

● Sodass ein erster Aktuator auf eine Membran (vorzugsweise Basisschicht) unter dem Einlassventilstempel drückt und über diese Membran das Einlassventil gegen die zweite Trägerschicht geschlossen und blockiert wird,
● sodass ein zweiter Aktuator auf der Membran (vorzugsweise Basisschicht) der Mikropumpe gerade eben aufliegt und so deren "Ausgangslage" definiert, oder alternativ einfach die Membran bis zum von der zweiten Trägerschicht gebildeten Anschlag durchdrückt;
● sodass ein dritter Aktuator auf den Bereich des Auslassventilstempels (insbesondere auf die Basisschicht) drückt und diesen gegen die zweite Trägerschicht schließt und blockiert.

Das Konditionieren kann manuell oder bevorzugt automatisch (beispielsweise motorgetrieben) erfolgen, indem z.B. ein Aktuatorblock, umfassend die drei relativ zueinander positionierten Aktuatoren, als eine Einheit nach vorne bewegt, solange bis z.B. eine Resonanzsequenzänderung eines der Aktuatoren (vorzugsweise des Piezostacks) anzeigt, dass eine Berührung mit der Mikropumpe, insbesondere der Basisschicht oder eine Krafteinwirkung auf die Aktuatoren stattfindet. Da der Aktuatorblock vorteilhaft als eine Einheit vorwärts bewegt wird und die einzelnen Aktuatoren aus dem Block zuvor vom Hersteller relativ zueinander richtig positioniert wurden, genügt die Messung an einem einzigen Aktuator, insbesondere an einem einzigen Piezoelement, um zu erkennen, dass die gesamte Anordnung die richtige Lage erreicht hat. Z.B. ist die Berührung der eigentlichen Pumpenmembran (vorzugsweise Basisschicht) durch den zweiten Aktuator über dessen Schwingungsverhalten bei elektrischer Resonanzanregung sehr leicht zu detektieren. Kerngedanke dieses Konditionierverfahrens ist es, dass wenn nur ein Aktuator in seiner Soll-Position vorgeschoben wird, auch automatisch die Soll-Positionen der anderen Aktuatoren stimmen, weil sie auf dem Aktuatorblock relativ zueinander einjustiert worden sind. Besonders einfach, weil ohne Messung durchführbar, ist die Methode, einen Aktuator einfach auf einen harten Anschlag zu bringen, also beispielsweise das Einlassventil und/oder das Auslassventil zu blockieren oder aber die Pumpenmembran bis zum Anschlag durchzudrücken. Dazu wird der Aktuatorblock mit definierter Kraft soweit vorgefahren, bis aufgrund des harten Anschlags keine weitere Bewegung mehr möglich ist. In diesem Fall erübrigt sich eine aktive Messung der Aktuatorposition (etwa durch Resonanzfrequenzänderung).
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Konditionierverfahrens wird die Konditionierung mit Hilfe mindestens einer einfachen Feder oder Federanordnung, die den Aktuatorblock ohne weitere Motorik einfach nach vorn gegen die Mikropumpe drückt, durchgeführt. Wenn mindestens eines der Ventile, entweder das Einlassventil oder das Auslassventil, mechanisch blockiert werden soll, also wenigstens einer der beiden Aktuatoren unverkürzt auf die Mikropumpe bzw. deren Ventilsitze wirkt, ist die Soll-Position des Aktuatorblocks relativ zur Mikropumpe immer definiert. Es ist im Betrieb der Pumpe niemals vorgesehen, dass sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil beide gleichzeitig freigegeben würden, also beide zugehörigen Aktuatoren verkürzt wären. Dieses Funktionsmerkmal gestattet eine besonders einfache Positionierung des Aktuatorblocks mittels einer Feder, die nur stark genug sein muss, um die beiden Ventile sicher zu blockieren und gegen ihre Anschläge - ihre Ventilsitze - zu drücken. Damit ist auch die Position des gesamten Aktuatorblocks definiert. Die Mikropumpe wird dann nur in die dafür vorgesehene Position, beispielsweise innerhalb einer Führung oder in einen seitlichen Rahmen in die "Pumpe" eingesetzt bzw. eingeklippst, wobei der Aktuatorblock, bevorzugt beispielsweise manuell etwas zurückgeschoben werden muss, um die Mikropumpe aufnehmen zu können. Ist die Mikropumpe in Position gebracht, lässt man die Feder des Aktuatorblocks letzteren einfach gegen die Mikropumpe drücken, wodurch beispielsweise sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil blockiert werden und gleichzeitig auch der der Pumpenmembran zugeordnete Aktuator in seiner Position relativ zur Pumpenmembran exakt definiert wird.
Insbesondere dann, wenn auf eine hohe Dynamik des Pumpvorgangs verzichtet werden soll, ist es möglich, beispielsweise den Pumpenmembranaktuator (zweiter Aktuator) einzusparen und beispielsweise durch ein starres Abstandselement zu ersetzen, welches auf die Pumpenmembran (vorzugsweise Basisschicht) drückt. In diesem Fall können die beiden Ventilaktuatoren ausreichen, um über den Aktuatorblock und das Abstandselement auch die Pumpwirkung selbst aufzubringen. Soll z.B. das Auslassventil freigegeben und anschließend die Pumpenmembran per "Stroke" in Anschlag gebracht werden, kann der Auslassventilaktuator um die Dicke der Basisschicht von beispielsweise ca. 20µm zuzüglich eines zusätzlichen Offsets von etwa 5µm zurückgenommen werden, vorzugsweise unter Ausnutzung des Piezoeffekts. Anschließend wird der Einlassventilaktuator beispielsweise um etwas weniger als die Basisschichtdicke, also beispielsweise 19,5µm zurückgenommen, wodurch das, insbesondere mittlere, Abstandselement mitsamt dem Aktuatorblock um eben diese Strecke vorrückt und die Pumpenmembran (vorzugsweise Basisschicht) gegen ihren Anschlag (vorzugsweise zweite Trägerschicht) oder nahezu gegen ihren Anschlag auslängt. In allen beschriebenen Fällen ist es sehr leicht ermöglicht, den Aktuatorblock selbsttätig, nur durch mindestens eine einfache Feder oder Federanordnung in die gewünschte Position relativ zur Mikropumpe zu bringen, was eine bequeme Handhabung beim Einsetzen der Mikropumpe bedeutet und auch Eigensicherheit mit sich bringt: Durch die passive Federwirkung ist sichergestellt, dass im elektrisch spannungslosen Zustand alle Ventile blockiert sind, also ein "Normally-Closed -Verhalten" vorliegt. In dieser Konstellation kann kein Insulin die Mikropumpe passieren, selbst wenn der Vorratsbehälter unter Druck gesetzt wird, weil sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil von jeweils einem Aktuator zugedrückt werden.
Die Mikropumpe arbeitet im Falle des Vorsehens von drei Aktuatoren wie folgt:
Vor einem Pumpstoß wird der dem Auslassventil unmittelbar zugeordnete Aktuator beispielsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezostack zurückgezogen, wodurch das Auslassventil freigegeben wird. Dies bedeutet noch nicht, dass das Auslassventil geöffnet wird, es bleibt vielmehr so lange weiter geschlossen, bis es durch einen Überdruck im Inneren der Mikropumpe geöffnet wird. Erst dann kann Insulin die Mikropumpe verlassen. Da das Einlassventil bevorzugt immer noch blockiert ist, kann aus dem Insulinvorrat kein Insulin in die Mikropumpe gelangen.
Nun wird der der Membran der Mikropumpe unmittelbar zugeordnete Aktuator, vorzugsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung, verlängert und drückt die Pumpenmembran (vorzugsweise die Basisschicht) bis zum oberen Anschlag, d.h. bevorzugt bis zur zweiten Trägerschicht durch. Dabei wird das sogenannte "Stroke-Volumen" durch das Auslassventil abgegeben.
Als nächster Schritt wird das Auslassventil durch Verlängerung des diesem zugeordneten Aktuators blockiert (beispielsweise durch Wegnehmen der elektrischen Spannung, die den Aktuator verkürzt hatte oder kurzzeitig die Spannung umpolen und erst dann auf Null setzen) und danach der dem Einlassventil zugeordnete erste Aktuator, beispielsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung verkürzt, wodurch das Einlassventil freigegeben, aber noch nicht geöffnet wird. Das Einlassventil bleibt vielmehr weiter geschlossen, und zwar selbst gegen einen Überdruck von Außen im Insulinvorrat, weil aus der Mikropumpe aufgrund des blockierten Auslassventils nichts abfließen kann. Erst wenn der zweite, der Pumpkammer zugeordnete Aktuator verkürzt wird, beispielsweise durch Wegnehmen der elektrischen Spannung am Piezostack und sich die Pumpenmembran (vorzugsweise die Basisschicht) in ihrer Ausgangslage zurückbewegt, wird das Einlassventil geöffnet und ein "Stroke-Volumen" Insulin gelangt in die Mikropumpe. Danach wird der erste, dem Einlassventil zugeordnete Aktuator wieder elektrisch spannungslos geschaltet, wodurch er sich bis zu seiner Ausgangslänge ausdehnt und das Einlassventil erneut blockiert. Daraufhin kann der Pumpvorgang wiederholt werden. Der dritte Aktuator (Auslassventilaktuator) gibt das Auslassventil frei, der zweite Aktuator (Pumpenaktuator) führt einen "Stroke" durch und das "Stroke-Volumen" wird durch das Auslassventil aus der Mikropumpe gefördert. Der dritte Aktuator blockiert dann das Auslassventil und der erste Aktuator gibt das Einlassventil frei, woraufhin der zweite Aktuator die Pumpenmembran in ihre Ausgangslage zurückführt, wobei über das Einlassventil das vorher abgegebene "Stroke-Volumen" aus dem Insulinvorratsbehälter wieder ersetzt wird und in die Mikropumpe gelangt, woraufhin das Einlassventil mittels des ersten Aktuators wieder blockiert wird, usw.
Wesentlich ist, dass stets nur das "Stroke-Volumen" in die Mikropumpe gelangt, und zwar unabhängig von einem allfälligen Vordruck im Vorratsbehältnis, und auch stets genau dieses "Stroke-Volumen" aus der Mikropumpe gefördert wird, ohne einen schädlichen Rückfluss in die Mikropumpe zurück. Dadurch wird die Dosierung sehr genau und die Mikropumpe eigensicher, auch bei Überdruck im Vorratsbehältnis. Wegen ihrer hohen longitudialen Steifigkeit bieten sich als Aktuatoren Piezoaktuatoren an, anhand derer beispielhaft die Funktion der Mikropumpe beschrieben wurde. Es ist jedoch auch möglich andere Aktuatoren, beispielsweise thermische oder elektrische Aktuatoren, insbesondere mit entsprechenden Federwerken als Aktuatoren zusätzlich oder alternativ zu Piezoaktuatoren einzusetzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen in:

Fig. 1 - 2:: zwei anfängliche Verfahrensschritte zur Herstellung einer Mikropumpe ausgehend von einem Siliziumwafer als erster Trägerschicht,
Fig. 3: einen alternativen Startpunkt für ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Mikropumpe, ausgehend von einem SOI-Wafer,
Fig. 4 - 12: wichtige Herstellungsschritte zur Herstellung einer Mikropumpe, wobei bei den gezeigten Verfahrenschritten die erste Trägerschicht als Siliziumwafer ausgebildet ist,
Fig. 13 - 15: wesentliche Verfahrensschritte bei der Herstellung einer Mikropumpe, wobei hier die erste Trägerschicht Teil des SOI-Wafers ist, wobei der Verfahrensschritt gemäß Fig. 13 dem Verfahrensschritt gemäß Fig. 9, der Verfahrenschritt gemäß Fig. 14 dem Verfahrensschritt gemäß Fig. 11 und der Verfahrensschritt gemäß Fig. 15 dem Verfahrensschritt gemäß Fig. 12 entspricht, und
Fig. 16: eine perspektivische Darstellung einer noch nicht fertigen erfindungsgemäßen Mikropumpe bei deren Herstellung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In Fig. 1 startet die Herstellung einer Mikropumpe ausgehend von einem Siliziumwafer als erster Trägerschicht 1, die auf ihrer Vorderseite V mit einem (thermischen) Oxid als untere Stoppschicht 2 versehen wird, in welcher an geeigneter Stelle Kontaktlöcher 3 für eine elektrische Kontaktierung vom Basisträgerschichtmaterial Silizium zu nachfolgend aufgebrachten Siliziumschichten angelegt werden. Die elektrischen Kontakte sind vorteilhaft für einen späteren, sogenannten anodischen Bondprozess, bei dem ein Stromfluss für das Eingehen einer hochfesten Verbindung zu einer, beispielsweise in Fig. 10 gezeigten, zweiten Trägerschicht 4 (hier: Glassubstrat) erforderlich wird.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Zwischenstadium der Mikropumpe, bei deren Herstellung, wobei auf die Vorderseite der unteren Stoppschicht 2 eine als EpiPoly-Siliziumschicht ausgebildete Basisschicht 5 aufgebracht wurde. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Basisschicht 5 11µm. Die Basisschicht 5 kann optional, beispielsweise durch einen CMP-Schritt planarisiert werden.
Fig. 3 zeigt einen alternativen Startpunkt für den Herstellungsprozess, wobei von einem sogenannten SOI-Wafer 6 als Ausgangsmaterial gestartet wird. Die Schritte der Folien 1 und 2 können dann entfallen, da bereits ein höherwertiges Halbzeug als Ausgangsmaterial verwendet wird. Nachteilig ist in diesem Fall jedoch, dass keine elektrisch leitendfähige Verbindung von der unteren, ersten Trägerschicht 1 zur oberen, auf der Vorderseite V der ersten Trägerschicht 1 angeordneten, Basisschicht 5 des SOI-Wafers 6 über Kontaktlöcher zur Verfügung steht. Für eine spätere anodische Bondung müssen geeignete Kontaktmittel über den Waferrand bereitgestellt werden, z.B. Klammern oder Federkontakte, die beispielsweise die obere Basisschicht 5 des SOI-Wafers 6 vom Rand her elektrisch kontaktieren.
Fig. 4 zeigt die Fortsetzung des Herstellungsprozesses, und zwar unabhängig davon, ob die Variante gemäß den Fig. 1 und 2 oder die Variante gemäß Fig. 3 verfolgt wird. Illustriert ist im Folgenden anhand der Fig. 4 bis 12 die Variante gemäß den Fig. 1 und 2, bei der von einem Siliziumwafer als Startpunkt (erste Trägerschicht 1) ausgegangen wird - die "SOI-Wafer"-Variante lässt sich daraus unschwer ableiten.
Auf der Vorderseite der Basisschicht 5 wird ein dickes Oxid als obere Stoppschicht 7 abgeschieden und so strukturiert, dass auf ausgewählten Flächen die als Opferschicht dienende Stoppschicht 7 stehen bleibt. Diese ausgewählten Flächen sind in späteren Fertigungsschritten allesamt Bereiche, in denen ein Silizium-Plasmaätzprozess gestoppt werden muss und/oder eine freitragende bewegliche Struktur entstehen soll. Wesentlich ist, dass unmittelbar oberhalb der Kontaktlöcher 3 eine Stoppschicht 7 vorgesehen ist.
Die Dicke der oberen Stoppschicht 7 beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 4 bis 5 µm. In der Variante "SOI-Wafer" kann beispielsweise ein thermisches Oxid bis zu einer Dicke von 2,5µm aufgewachsen und darüber noch ein 1,8µm dickes Oxid abgeschieden werden, etwa in der Form von TEOS oder Plasmaoxid, was in Summe eine Stoppschichtdicke von maximal ca. 4,3µm ergibt. In der Variante, bei der von einem Siliziumwafer als erste Trägerschicht ausgegangen wird ist eine thermische Oxidation nicht zu empfehlen, da hierdurch nicht tolerierbare Stressgradienten in das Basisschichtmaterial (Epipoly-Silizium) eingetragen würden, die die weitere Verwendung als mechanisches Schichtmaterial unmöglich machen würden. Für den letztgenannten Fall erfolgt die Abscheidung der vollen Stoppschichtdicke (Oxiddicke) bevorzugt als TEOS oder Plasmaoxid bei relativ niedrigen Temperaturen von z.B. 300°C bis 450°C.
In Fig. 5 ist ein Herstellungsschritt gezeigt, bei dem auf die Vorderseite der Basisschicht 5 sowie auf die Vorderseite der Stoppschicht 7 eine Funktionsschicht 8 mit einer Dicke von etwa 15 bis 24 µm abgeschieden wurde. Die Funktionsschicht 8 besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer EpiPoly-Siliziumschicht. Da auf der Vorderseite (Schichtoberfläche) der Funktionsschicht 8 später anodisch gebondet werden muss, ist eine Planarisierung der Oberfläche, beispielsweise durch ein CMP-Verfahren an dieser Stelle unbedingt zu empfehlen, und zwar unabhängig davon, ob bereits vorangehend die Basisschicht 5 planarisiert oder für die Basisschicht eine SOI-Waferschicht verwendet wurde. Der Planarisierschritt muss die Topographie der Oberfläche einebnen und die Flächen für eine Bondung mikroskopisch "glätten".
In Fig. 6 ist der Waferstack nach dem Aufbringen und Strukturierung einer Antibond-Schicht 9, die auf den späteren Ventil-Dichtflächen verbleiben muss, gezeigt. Die Antibond-Schicht 9 kann beispielsweise aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Graphit bestehen. Außerdem sind Ausnehmungen 10, 11 rund um die Antibond-Schicht-Flächenbereiche 9 mit einer Tiefe von etwa 2 bis 5 µm eingeätzt worden. Diese Ausnehmungen 10, 11 sollen später nicht mit der zu bondenden zweiten Trägerschicht 4 in Kontakt kommen, um eine Beweglichkeit von herzustellenden mikrofluidischen Funktionselementen, hier eines Einlassventilstempels 14 und eines Auslassventilstempels 17 zu garantieren.
In Fig. 7 ist die Funktionsschicht 8 unter anderem in dem Bereich unterhalb der Ausnehmungen 10, 11 strukturiert worden. Anders ausgedrückt werden durch die mikrofluidischen Funktionselemente 12 geschaffen, nämlich ein Einlassventil 13 mit einem Einlassventilstempel 14, auf dessen Vorderseite sich die Antibond-Schicht 9 als Ventildichtfläche befindet. Ferner wurde eine Pumpkammer 15 sowie ein Auslassventil 16 mit einem Auslassventilstempel 17 geschaffen, wobei auf der Vorderseite des Auslassventilstempels 16 sich ebenfalls eine Antibond-Schicht 9 als Dichtfläche befindet. Die Funktionselemente 12 sind bei dem Verfahrenschritt gemäß Fig. 7 noch nicht fertig gestellt. Hierzu ist es noch notwendig, wie sich aus Fig. 8 ergibt, die obere Stoppschicht 7 (Opferschicht) selektiv zu entfernen. Dies kann durch flüssige oder dampfförmige Flusssäure in an sich bekannter Weise durchgeführt werden. Nach dieser Ätzung ist das Einlassventil 13 bzw. der Einlassventilstempel 14 frei beweglich und kann insbesondere in Z-Richtung ausgelenkt werden. Der Abstand des Einlassventilstempels 14 zur Basisschicht 5 entspricht der Dicke des zuvor entfernten Oxids (obere Stoppschicht 7 (Opferschicht)) von 4 bis 5 µm. Erwähnenswert ist an dieser Stelle die Ausbildung des Einlassventils 13. Dieses umfasst bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 eine Spiralfeder 18, die in einer Draufsicht unterhalb des Waferstacks in Fig. 7 gezeigt ist. Die Spiralfeder 18 trägt endseitig den Einlassventilstempel 14, wodurch eine weiche Lagerung des Einlassventilstempels 14 in Z-Richtung gegeben ist und sich Materialstress relaxieren kann.
Eine enfindungsgemäße Ausführungsform des Einlassventils 14 ergibt sich aus der perspektivischen Darstellung gemäß Fig. 16. Zu erkennen sind drei ineinander geschachtelte Spiralfedern 18, die allesamt einenends mit dem Einlassventilstempel 14 verbunden sind und zwar an in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordneten Stellen. Der zentrale Einlassventilstempel 14 wird völlig symmetrisch von den Spiralfedern 18 gehalten und jegliche Eigenspannung der Spiralfedern wird durch eine minimale Verdrehung des Einlassventilstempels 14 vollständig abgebaut. Durch die relativ großen Federlängen wird eine weiche Aufhängung des zentralen Einlassventilstempels in Z-Richtung realisiert, wobei die Federhöhe nahezu der gesamten Opferschichthöhe entspricht. Weiterhin ergibt sich aus Fig. 16 der Aufbau und die Anordnung des Auslassventils 16 mit seinem zentrischen Ventilstempel 17. Aus Fig. 16 ist zu erkennen, dass sowohl eine Einlassventilkammer als auch eine Auslassventilkammer sowie die Pumpkammer 15 kreisrund konturiert sind und über große Öffnungsquerschnitte miteinander verbunden sind.
Wie zuvor erwähnt, ist in Fig. 8 ein Zwischenschritt der Herstellung der Mikropumpe gezeigt, bei dem die (obere) Stoppschicht 7 (Opferschicht) selektiv entfernt wurde. Erst hierdurch wird das Einlassventil 13 frei. Zuvor saß der Einlassventilstempel 14 noch fest auf dem dicken, die Stoppschicht 7 (Opferschicht) bildenden Oxid, das auch den Ätzstopp für den Plasmaätzprozess zur Strukturierung der Funktionsschicht 8 gebildet hat.
Insbesondere aus den Fig. 6 bis 8 wird deutlich, dass die Herstellung der Funktionselemente 12 ausschließlich durch Vorderseitenstrukturierung, also durch Strukturierung in eine Richtung auf die Vorderseite V der ersten Trägerschicht zu erfolgt ist. Die Trägerschicht 1 wurde dabei nicht in Mitleidenschaft gezogen, etwa weil durch sie hindurch strukturiert worden wäre.
Fig. 9 illustriert einen anodischen Bondprozess: Die vorstrukturierte zweite Trägerschicht 4, hier ein Borosilikatglaswafer (beispielsweise ein Pyrexglaswafer) weist an entsprechenden Stellen Bohrungen als Fluidkanäle 19, 20 auf. Dabei bildet der in der Zeichnung linke Fluidkanal 19 einen Einlasskanal zum Zuführen von Wirkstoff (Insulin) und der Fluidkanal 20, der sich in der Zeichnungsebene rechts befindet, einen Auslasskanal zum Auslassen eines "Stroke"-Volumens. Bevorzugt wird der Fluidkanal 19 mit einem Vorratstank oder Vorratsbeutel mit Insulin verbunden und der Fluidkanal 20 an eine Injektionsnadel oder besonders bevorzugt ein Mikronadelarray, beispielsweise aus porösem Silizium, etc. angeschlossen. Die Umfangsränder der unteren Enden der Fluidkanäle 19, 20 bilden die Ventilsitze für den Einlassventilstempel 14 bzw. den Auslassventilstempel 17. Die Antibond-Schicht-Flächenabschnitte bilden die Dichtflächen des Einlassventils 13 des Auslassventils 16. Zusätzlich oder alternativ zu der Antibond-Schicht 9 können nicht gezeigte Antibond-Flächen als Sitzflächen auf der Rückseite der zweiten Trägerschicht 4 vorgesehen werden.
Für den anodischen Bondprozess muss die Funktionsschicht 8 mit einer elektrischen Spannungsquelle kontaktiert und positiv gegenüber der justiert aufgelegten zweiten Trägerschicht 4 gepolt werden. In der gezeigten Variante, ausgehend von einem Siliziumwafer als erster Trägerschicht 1, ist diese Kontaktierung problemlos über die erste Trägerschicht 1 aufgrund der Kontaktlöcher 3 in der unteren Stoppschicht 2 möglich. Dabei kommen in an sich bekannter Weise Spannungen von einigen 100 V bis einigen 1000 V zum Einsatz, je nach Dicke der zweiten Trägerschicht 4. Durch die anodische Polung der Vorderseite bzw. der Siliziumoberfläche der Opferschicht 8 gegen die zweite Trägerschicht 4 wird eine hochfeste, hochgenaue und irreversible Verbindung der Kontaktflächen zueinander erreicht, ohne dass es hierzu eines Klebstoffs bedürfte. Letzteres ist entscheidend im Zusammenhang mit der eingeschränkten Stabilität und Bioaktivität von Insulin, das durch viele Materialien, wie viele Kunststoffe oder Klebstoffe in seiner Wirksamkeit beeinträchtigt würde. Bei der gezeigten Mikropumpe kommt das Insulin innerhalb der Mikropumpe lediglich mit Silizium, Borosilikatglas und der Antibond-Schicht in Kontakt - alle diese Stoffe sind gut Insulin-verträglich.
Fig. 10 zeigt den gebondeten Waferaufbau nach der Durchführung des anodischen Bondprozesses.
In Fig. 11 ist die erste Trägerschicht 1 entfernt worden. Das Rückdünnen der ersten Trägerschicht 1 kann durch Rückschleifen, Plasmaätzen oder durch eine Kombination aus Rückschleifen und Plasmaätzen geschehen. Alternativ kann
auch nass geätzt werden, etwa in heißer Kalilauge unter Verwendung einer Ätzmaske als Vorderseitenschutz. Die Entfernung der kompletten ersten Trägerschicht 1 durch Plasmaätzen ist besonders schonend, da hier keine mechanische Einwirkung stattfindet. Da es hierzu an sich nicht erforderlich ist, anisotrop zu ätzen, kann beispielsweise mit einem isotropen SF₆-Prozess mit vorteilhaft höheren Abtragraten von 50 bis 100pm/min oder mehr geätzt werden, sodass das Entfernen der ersten Trägerschicht 1 nur wenige Minuten dauert. Da über die Kontaktlöcher 3 ein Ätzangriff auf die darüberliegende Basisschicht (hier Silizium) bis zur (zweiten) Stoppschicht 7 erfolgt, ist es vorteilhaft, in der Endphase des Prozesses von rein isotropen Plasmaätzen auf ein zumindest teilweise anisotropes Plasmaätzen umzuschalten. Der Vorteil der Anisotropie ist in dem Fall, dass die Kontaktlöcher 3 überätzt werden dürfen etwa zum Ausgleich von Ätzinhomogenitäten oder Waferdickenschwankungen über die Waferfläche, ohne dass die Einätzungen in die Basisschicht in den Kontaktlochbereichen lateral immer größer werden. Der Nachteil ist die geringere Ätzgeschwindigkeit bei anisotropem Ätzen. Das Umschalten von einem rein isotropen Ätzprozess zu einem zumindest teilweise anisotropen Plasmaätzprozess kann dadurch realisiert werden, dass entsprechend der Lehre der DE 42 410 45 A1 der isotrope SF₆-Ätzschritt gegen Ende des Rückätzens alternierend mit sogenannten Passivierschritten mit beispielsweise C₄F₈ oder C₃F₆ als Passiviergas durchgeführt wird. Das Erkennen dieses Übergangs kann beispielsweise mittels einer optischen Endpunkterkennung über "Optical Emissions Spectroscopy" - sogenanntes OES - erfolgen, in dem das Erreichen der unteren (ersten) Stoppschicht 2 an irgendeiner Stelle erkannt und dann für das Weiterätzen bzw. weitere Überätzen die Passivierschritte eingefügt werden, um die bereits in Ätzung begriffenen Kontaktlöcher 3 während des Überätzens lateral nicht übermäßig auszudehnen. In vertikaler Richtung ist der dicke Oxidbereich, der dem Kontaktloch 3 gegenüberliegt, jeweils ätzbegrenzend. Mit dieser Vorgehensweise können Inhomogenitäten des Ätzprozesses selbst bzw. Waferdickenschwankungen durch Überätzen ungestraft ausgeglichen werden. Das OES-Endpunkterkennungssystem zeigt auch an, wenn die erste Trägerschicht, also sämtliches Silizium, von der unteren Stoppschicht 2 entfernt wurde und der Prozess an seinem Ende angelangt ist.
Fig. 12 zeigt das Entfernen der noch verbliebenen Stoppschichten 2, 7: zum einen der flächigen unteren Stoppschicht 2, zum anderen der oberen Stoppschicht 7 (Opferschicht) (Ätzstoppbereich über den offenen Kontaktlöchern 3). Das Entfernen kann wiederum durch flüssig oder dampfförmige Flusssäure erfolgen. Da insbesondere Oxidschichten starke Druckspannungen in den mechanischen Aufbau eintragen, ist es vorteilhaft, am Prozessende alle Oxidschichten zu entfernen.
Ferner ist auf Fig. 12 eine mögliche Anordnung eines ersten Aktuators A1, eines zweiten Aktuators A2 und eines dritten Aktuators A3 gezeigt. Dabei ist der erste Aktuator A1 unmittelbar dem Einlassventil 13, der zweite Aktuator A2 unmittelbar der Pumpkammer 15 und der dritte Aktuator A3 unmittelbar dem Auslassventil 16 zugeordnet. Zu erkennen ist, dass sämtliche Aktuatoren A1 bis A3 unmittelbar auf die Basisschicht 5 einwirken, die die Mikropumpe auf der von der zweiten Trägerschicht 4 abgewandten Seite begrenzt. Bezüglich der Funktionsweise und einer möglichen Ansteuerung der Aktuatoren A1 bis A3 wird auf den allgemeinen Beschreibungsteil verwiesen. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass bei Bedarf beispielsweise auf den zweiten Aktuator A2 verzichtet werden kann (vergleiche allgemeiner Beschreibungsteil).
Fig. 13 illustriert den Bondprozess für den Fall der "SOI"-Wafer" Variante. Bis auf die Schwierigkeit, die obere SOI-Schicht (Basisschicht 5) über Kontaktfedern, etc. von der Seite oder über den Waferrand elektrisch zu kontaktieren, weil keine Kontaktlöcher zur unteren, ersten Trägerschicht 1 vorhanden sind, entspricht der Aufbau und die Vorgehensweise genau dem Pendant von Fig. 9.
Fig. 14 zeigt den gebondeten Waferstack nach dem Entfernen der ersten Trägerschicht 1. Da es beim SOI-Aufbau keine Kontaktlöcher in der unteren Stoppschicht 2 gibt ist das Entfernen der ersten Trägerschicht 1 durch ein Rückätzen in Plasma besonders problemlos und einfach möglich. Es ist vorteilhaft, die isotrope Silizium-Ätzung mit SF₆-Plasma mit einem Endpunkterkennungssystem (OES) zu kontrollieren. Dieses zeigt an, wenn kein Silizium mehr geätzt wird und wenn überall auf der unteren Stoppschicht 2 angelangt ist, wobei die untere Stoppschicht 2 dem Ätzstopp für diesen Ätzprozess darstellt. Dabei kann auch zur Sicherheit ein Überätzen vorgesehen werden, um tatsächlich sämtliches Silizium restlos von der unteren Stoppschicht 2 zu entfernen und anfällige Inhomogenitäten auszugleichen. Da der vollständige Prozess isotrop durchgeführt werden kann, sind Abtragungsraten extrem hoch (typischerweise 100µm/min oder mehr) und die Prozesszeit sehr kurz (nur wenige Minuten). Alternativ kann auch nass geätzt werden, z.B. in heißer Kalilauge unter Verwendung einer Ätzmaske als Vorderseitenschutz.
Fig. 15 zeigt den Zustand des Waferstags nach dem Entfernen der unteren Stoppschicht 2 durch flüssige oder dampfförmige HF. Auch in diesem Fall empfiehlt es sich, sämtliches Oxid zu entfernen, um unerwünschte Druckspannungen aus dem mechanischen Aufbau herauszunehmen. Die Funktion der gezeigten Aktuatoren A1 bis A3 wird im allgemeinen Beschreibungsteil erläutert.
Zusammenfassend wird in den Figuren ein Herstellungsprozess vorgeschlagen, der in beiden gezeigten Varianten (Siliziumwafer/SOI-Wafer) ausschließlich aus Standardprozessschritten der Mikrosystemtechnik bzw. der Halbleitertechnik basiert. Zu keinem Zeitpunkt des Prozesses treten fragile Waferzustände oder Waferzwischenzustände auf, in denen der Wafer bzw. der Waferaufbau durch Folien oder ähnliche aufwändige Sondermaßnahmen stabilisiert werden müsste. In allen Prozessstadien hat man es vielmehr mit robusten Aufbauten zu tun, die ohne Besonderheiten gehandhabt und prozessiert werden können. Alle Kanäle, durch die im Betrieb der Mikropumpe Flüssigkeiten strömen sollen, haben vergleichsweise große Kanalhöhen von beispielsweise 15 bis 24 µm und in Folge dessen geringe Strömungswiderstände und geringe "Totvolumina". Dies alles wird mit einem vergleichsweise einfachen und besonders kostengünstigen Prozess realisiert.

Claims

Mikropumpe mit mehreren Funktionselementen (12), wobei die Funktionselemente (12) ausschließlich durch Strukturierung aus einer Richtung hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (13) der Mikropumpe mehrere, einen Einlassventilstempel (14) symmetrisch haltende, ineinander verschachtelte Spiralfedern (18) aufweist, und dass die Spiralfedern (18) allesant einenends mit dem Einlassvenülstempel (14) an in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordneten Stellen verbunden sind.
Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropumpe eine Trägerschicht (1, 4) aufweist, in der mindestens ein Fluidkanal (19, 20) eingebracht ist und die die Pumpkammer (15) unmittelbar begrenzt.
Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (13) und/oder das Auslassventil (16) der Mikropumpe mittels mindestens eines Aktuators (A1- A3) aktiv abdichtbar sind.
Mikropumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventildichtfläche des Einlassventils (13) und/oder eine Ventildichtfläche des Auslassventils (16) mittels eines Aktuators (A1-A3) gegen die Trägerschicht (1, 4) pressbar ist.
Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einlassventil (13), dem Auslassventil (16) und der Pumpkammer (15) jeweils mindestens ein Aktuator (A1-A3) unmittelbar zugeordnet sind.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur dem Einlassventil (13) und dem Auslassventil (16) jeweils mindestens ein Aktuator (A1, A3) unmittelbar zugeordnet sind, und dass der Pumpvorgang durch eine Ansteuerung mindestens eines dieser Aktuatoren (A1, A3) steuerbar ist.