DE3926647A1 - Verfahren zur herstellung eines mikroventils - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Mikroventils nach der Gattung des An­ spruchs 1; außerdem ein Mikroventil aus mehreren aufeinandergebondeten Schichten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 14.

In der Patentanmeldung P 39 19 876 wurde ein Mikro­ ventil vorgeschlagen, das aus mehreren Schichten besteht und einen dazwischengeschalteten Ventilsitz aufweist. Dieses Ventil hat den Nachteil, daß es aufgrund seines Designs hohe Anforderungen and die Strukturierverfahren stellt und daher die Herstellung sehr zeit- und kostenintensiv ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß es wesentlich einfacher und damit preisgünsti­ ger ist. Bei der Herstellung eines Ventils werden jeweils nicht strukturierte Wafer auf schon beste­ hende Strukturen aufgebondet. Die Handhabung des nicht strukturierten Wafer ist einfacher als die von schon geätzten Wafern. Überdies bedarf es kei­ ner speziellen Ausrichtung der nicht strukturierten Wafer beim Bonden mit den schon bestehenden Schich­ ten. Erst nach dem Bonden wird die oberste Schicht mit einer Struktur versehen, wobei es wesentlich einfacher ist, die für die Bearbeitung er­ forderlichen Masken gegenüber den schon vorhandenen Strukturen auszurichten als die Ausrichtung von strukturierten Schichten gegenüber bestehenden Schichten.

Bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der in den als Trägerschicht dienenden unter­ sten Wafer vor dem Aufbonden der nachfolgenden Schicht eine Struktur nämlich eine Vertiefung ein­ gebracht wird, die Teil eines Betätigungsorgans ist. Dadurch, daß die Trägerschicht Betätigungs­ funktionen übernimmt, läßt sich ein besonders kom­ pakter Aufbau erreichen.

Nach einer Weiterbildung des Verfahrens wird auf die Trägerschicht ein zweiter zunächst unbearbeite­ ter Wafer gebondet, in den ein erster Kanal ein­ gebracht wird. Der Boden dieses Kanals bildet einen Teil der Abdeckung der Vertiefung in der Träger­ schicht und ist biegeelastisch ausgebildet. Der Bo­ den dieses Wafers wirkt mit der Trägerschicht zu­ sammen, so daß eine Auslenkung des Bodens gegenüber der Trägerschicht ermöglicht ist.

Bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem auf den zwei­ ten Wafer ein dritter, zunächst nicht strukturier­ ter Wafer gebondet wird, in den wiederum ein Kanal eingebracht wird. Dieser stellt jedoch eine Durch­ brechung zum ersten Kanal dar. Der erste Kanal in dem zweiten Wafer ist jedoch breiter als der zweite Kanal im dritten Wafer, so daß der von dem zweiten Kanal umschriebene Bereich den vom ersten Kanal eingegrenzten Bereich in horizontaler Richtung überragt. Aufgrund des Bondens ist der als Ventil­ platte dienende Bereich des dritten Wafers fest mit dem des zweiten Wafers verbunden.

Bevorzugt wird schließlich ein Verfahren, bei dem die Kanäle in dem zweiten und dritten Wafer als Ringkanäle und die Vertiefung in der Trägerschicht kreisförmig ausgebildet sind. Dadurch ergeben sich besonders gleichmäßige Kräfteverhältnisse, die Spannungs- und Ermüdungsbrüche auf ein Minimum re­ duzieren.

Weitere Ausführungsformen des Verfahrens und deren Vorteile ergeben sich aus den übrigen Unteransprü­ chen.

Das erfindungsgemäße Mikroventil mit den in An­ spruch 1 genannten Vorteilen zeichnet sich dadurch aus, daß es besonders einfach aufgebaut und dadurch kostengünstig herstellbar ist. Da der Aufbau so ge­ wählt ist, daß alle Schichten lediglich von einer Seite mit einer Struktur versehen sind, ist die Handhabung der die Schichten bildenden Wafer beson­ ders einfach.

Bevorzugt wird eine Ausführungsform des Mikroven­ tils, bei dem auf einen als Trägerschicht untersten Wafer ein zweiter Wafer gebondet ist, der auf einen von einem Kanal umgebenen Vorsprung eine Ventil­ platte trägt, die ihrerseits Teil eines dritten Wa­ fers ist, der auf den zweiten Wafer gebondet ist. Die Ventilplatte tritt in Wirkeingriff mit einer auf den dritten Wafer gebondeten Deckschicht, wobei die Oberseite der Ventilplatte eine im Abstand von ihrem Rand umlaufende Dichtschulter trägt, die in Eingriff mit der Unterseite der Deckschicht bring­ bar ist. Durch eine derartige Dichtschulter lassen sich die unter Druck stehenden Flächen sehr genau definieren, so daß ein präziser Druckausgleich und damit ein optimales dynamisches Verhalten des Ven­ tils erzielbar sind.

Besonders bevorzugt wird ein Mikroventil, bei dem die Höhe der Dichtschulter wesentlich kleiner ist als die Dicke der Ventilplatte. Bei der Herstellung einer derartigen Struktur im Ätzverfahren lassen sich die Abmessungen der Dichtschulter aufgrund der geringen Ätztiefe genauer vorbestimmen, als dies beim Ätzen der wesentlich dickeren Ventilplatte der Fall wäre.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen des Mikroven­ tils ergeben sich aus den Unteransprüchen. Als be­ sonders vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, daß die Ventilplatte mit einer Hartschicht be­ schichtet ist, die einerseits für eine Vorspannung des Ventils sorgt und andererseits den Verschleiß reduziert von dem durch das Ventil strömenden Me­ dium hervorgerufen wird. Überdies zeichnet sich das Ventil dadurch aus, daß keine thermischen Spannun­ gen im Betrieb auftreten, wenn alle Schichten aus Silicium bestehen.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch das Ventil in seiner unbetätigten Stellung;

Fig. 2 einen Schnitt durch das Ventil in betä­ tigter Stellung und

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung des erfin­ dungsgemäßen Ventils.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 1 ist die Anordnung der einzelnen Schichten des Ventils be­ sonders gut erkennbar. Bei dieser Darstellung wurde, aus Gründen der besseren Erkennbarkeit, die Dicke der einzelnen Schichten stark vergrößert wie­ dergegeben.

Das Mikroventil 1 weist einen als Trägerschicht dienenden ersten Wafer 3, einen darüberliegenden zweiten Wafer 5 sowie einen auf diesen gebondeten dritten Wafer 7 auf. Auf den obersten Wafer 7 ist eine Deckschicht 9 gebondet.

In den untersten Wafer 3 ist eine Vertiefung 11 eingebracht. Der darüberliegende zweite Wafer 5 wurde so strukturiert, daß ein erster Kanal 13 ent­ standen ist, dessen Boden 15 einen Teil der Abdeckung der Vertiefung 11 bildet. In den darüberlie­ genden dritten Wafer 7 wurde ein zweiter Kanal 17 eingebracht, dessen Boden sich zum ersten Kanal hin öffnet. Der zweite Kanal 17 umschließt einen Be­ reich, der eine Ventilplatte 19 bildet. Die Ventil­ platte ist mit dem Bereich 21 des zweiten Wafers 5 verbunden, der vom ersten Kanal 13 eingeschlossen wird.

Die Abmessungen des ersten und zweiten Kanals sind so gewählt, daß die Ventilplatte 19 den vom ersten Kanal 13 umgebenen Bereich 21 überragt. Das heißt also, die Innenabmessungen des zweiten Kanals sind kleiner als die des ersten Kanals. Dabei können die Außenabmessungen des zweiten Kanals 17 gleich oder größer sein als die des ersten Kanals 13.

Es ist erkennbar, daß die Vertiefung 11 in dem er­ sten Wafer 3 durch Bereiche des Bodens 15 des er­ sten Kanals 13 sowie durch die Bodenfläche des vom Kanal 13 umgebenen Bereichs 21 gebildet wird. Der Bereich 21 ist wesentlich dicker als der Boden 15 des ersten Kanals 13. Daher weist der Boden 15 eine gewisse Elastizität auf, er kann sich nach unten, in Richtung auf die Vertiefung 11 durchbiegen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Die auf den dritten Wafer 7 aufgebrachte Deck­ schicht 9 ist mit Öffnungen 23 und 25 versehen, die in die Deckschicht nach deren Verbindung mit dem dritten Wafer 7 eingebracht werden. Die außenlie­ genden Öffnungen 23 münden in den zweiten Kanal 17 im dritten Wafer 7 und stehen damit auch mit dem ersten Kanal 13 im zweiten Wafer in Verbindung. Die ersten Öffnungen 23 können einzelne Durchbrechungen darstellen. Es ist jedoch bei entsprechendem Packaging auch möglich, einen durchgehenden Ring­ raum in die Deckschicht einzubringen, der mit dem zweiten Kanal 17 bzw. mit dem ersten Kanal 13 in Verbindung steht.

Die zweite Öffnung 25 in der Deckschicht 9 ist über der Ventilplatte 19 angeordnet. Die Ventilplatte schließt die Öffnung 25 gegenüber dem zweiten Kanal 17 und damit gegenüber den ersten Öffnungen 23 ab.

Auf der Oberseite der Ventilplatte ist eine umlau­ fende, in einem Abstand von der äußeren Begren­ zungskante der Ventilplatte verlaufende Dichtungs­ schulter 27 vorgesehen, deren Höhe wesentlich ge­ ringer ist als die Dicke der Ventilplatte.

Auf die Oberseite der Ventilplatte und damit auch auf die Oberseite der Dichtschulter ist eine Hart­ schicht 29 aufgebracht, durch die die Oberseite der ursprünglichen Dichtschulter in einem Abstand zur Unterseite der Deckschicht 9 angeordnet ist. Das heißt, die Ventilplatte wird in der unbetätigten Stellung gemäß Fig. 1 etwas nach unten ausgelenkt, so daß sich der Boden 15 des ersten Kanals 13 etwas durchbiegt. Die Hartschicht besteht vorzugsweise aus Siliciumnitrit. Sie schützt die Dichtschulter vor Verschleiß durch die Strömung eines Mediums, welches durch das Ventil hindurchtritt.

Der Strömungsverlauf eines von dem Mikroventil be­ einflußten Mediums ist durch Pfeile in Fig. 1 an­ gedeutet. Das Medium tritt durch die Öffnung 23 in der Deckplatte 9 in den zweiten Kanal 17 des drit­ ten Wafers 7. In der unbetätigten Stellung der Ven­ tilplatte 19 wird das Medium daran gehindert, an der Dichtschulter 27 vorbei aus der zweiten Öffnung 25 auszutreten.

In die Oberseite des als Trägerschicht dienenden ersten Wafers und in dessen Unterseite ist eine do­ tierte Schicht 31 eingebracht, die der Verminderung von Kontaktierungswiderständen dient. Die dem zwei­ ten Wafer 5 zugewandte Oberseite des ersten Wafers 3 ist mit einer Isolationsschicht 33 versehen, die vorzugsweise aus Siliciumoxid besteht.

Auch die Unterseite des zweiten Wafers 5 ist mit einer Isolationsschicht 35 versehen, die ebenfalls vorzugsweise aus Siliciumoxid besteht. Schließlich kann noch eine derartige Isolationsschicht 37 zwi­ schen dem zweiten und dritten Wafer vorgesehen wer­ den.

Die Trägerschicht 3 und der zweite Wafer 5 sind mit einer vorzugsweise steuerbaren Spannungsquelle 39 verbunden. Die Dotierung 31 in der Trägerschicht dient der besseren Kontaktierung dieser Spannungs­ quelle.

Die voneinander durch die Isolationsschichten 33 und 35 getrennten Wafer 3 und 5 bilden die Platten eines Kondensators, die sich bei Aufladung mit ent­ gegengesetzten Ladungen anziehen. Der die Vertie­ fung 11 des im ersten Wafer 3 abdeckende Bereich des zweiten Wafers 5 ist aufgrund der Elastizität des Bodens 15 des Kanals 13 beweglich. Wenn also entgegensetzte Ladungen auf die Kondensatorplatten durch die Spannungsquelle 39 gebracht werden, so kann sich durch die Anziehungskräfte der vom ersten Kanal 13 umgebene Bereich 21 in Richtung auf den Boden der Vertiefung 11 absenken, wobei der Boden 15 des Kanals 13 ausgelenkt wird. Durch die Absen­ kung des Bereichs 21 wird auch die Ventilplatte 19 nach unten bewegt, so daß die Dichtungsschulter 27 von der Unterseite der Deckplatte 9 abhebt. Dadurch wird eine Verbindung zwischen der ersten Öffnung 23 über den zweiten Kanal 17 zur zweiten Öffnung 25 geschaffen.

Sobald die Ladungsunterschiede zwischen den Platten des Kondensators, also zwischen dem ersten Wafer 3 und dem zweiten Wafer 5 ausgeglichen sind, bewegt sich die Ventilplatte 19 aufgrund der Elastizität des Bodens 15 des ersten Kanals 13 zurück in ihre ursprüngliche Stellung, so daß die Dichtschulter 27 eine Trennung zwischen der ersten Öffnung 23 und der zweiten Öffnung 25 herstellt.

Fig. 2 zeigt einen gegenüber Fig. 1 noch weiter schematisierten Schnitt durch das Mikroventil. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen.

Diese Darstellung dient dazu, die Auslenkung der Abdeckung der Vertiefung 11 aufgrund einer angeleg­ ten Spannung noch einmal deutlich zu zeigen. Der Abstand des Bodens des Bereichs 21 zur Grundfläche der Vertiefung 11 ist wesentlich kleiner als in Fig. 1. Dadurch wird die Ventilplatte 19 von der Un­ terseite der Deckschicht 9 abgehoben, die Dicht­ schulter 27 gibt eine Verbindung zwischen der er­ sten Öffnung 23 und der zweiten Öffnung 25 frei. Ein in die erste Öffnung 23 strömendes Medium kann über diese Öffnung und den zweiten Kanal 17 in dem dritten Wafer 7 zur zweiten Öffnung 25 strömen und dort aus der Deckplatte 9 austreten.

Die Bewegung der Ventilplatte ist hier stark ver­ größert dargestellt. Der Hub der Ventilplatte be­ trägt bei dem hier dargestellten Ausführungsbeipiel ca. 4 µm. Die Dicke der Trägerschicht gemeinsam mit dem zweiten und dritten Wafer beträgt ca. 0,6 mm. Vorzugsweise sind die Vertiefung 11, der erste Ka­ nal 13, der zweite Kanal 17 und die Dichtungs­ schulter 27 ebenso wie die Ventilplatte 19 kreisförmig ausgebildet. Die Form der zweiten Öff­ nung 25 ist für die Funktion des Ventils belanglos. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß die inne­ ren Abmessungen dieser Öffnung 25 kleiner sind als die Innenabmessungen der Dichtschulter 27. Diese muß in dichtenden Eingriff mit der Unterseite der Deckschicht 9 treten können. Bei dem hier darge­ stellten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmes­ ser der Dichtschulter ca. 3,6 mm und der Durchmesser der äußeren Begrenzungskante der ersten Öffnung bzw. der Außendurchmesser des zweiten Kanals 17 ca. 10 mm.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 2 ist das Ventil Teil einer größeren Struktur. Es ist je­ doch auch möglich, daß Ventil separat herzustellen, wie dies aus der Explosionsdarstellung gemäß Fig. 3 deutlich wird. Diese Darstellung zeigt überdies noch einmal den Aufbau der einzelnen Schichten. Gleiche Teile sind hier wiederum mit gleichen Be­ zugszeichen versehen.

Der als Trägerschicht dienende erste Wafer 3 ist hier also als kreisförmige Platte ausgebildet, die in ihrem Zentrum eine kreisförmige Mulde bzw. Ver­ tiefung 11 aufweist. Der zweite Wafer, der nicht­ strukturiert auf den ersten Wafer aufgesetzt wird, wurde mit einem Ringkanal versehen, so daß ledig­ lich eine Außenwand 41 sowie der zylindrische Be­ reich 21 stehenbleibt, der von dem ersten Kanal 13 umgeben wird. Ein Teil des Bodens 15 des Kanals 13 dient, ebenso wie der Boden des Bereichs 21, als Abdeckung der Vertiefung 11.

Die Oberseite des ersten Wafers 3 ist mit der Iso­ lationsschicht 33 versehen. Aus der Darstellung ge­ mäß Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Isolations­ schicht 35 auf der Unterseite des zweiten Wafers 5 entfallen kann.

Auch durch die eine einzige Isolationsschicht 33 ist einerseits die elektrische Trennung der beiden Platten des Kondensators, die aus dem ersten Wafer 3 und dem zweiten Wafer 5 gebildet werden, sichergestellt. Andererseits ist gewährleistet, daß bei einer starken Durchbiegung des Bodens 15 des Kanals 13 eine Berührung der Vertiefung der Boden­ fläche 11 unschädlich ist.

Der dritte Wafer 7 besteht nach dem Ausarbeiten des zweiten Kanals 17 aus einem Ring 43 und dem von dem Kanal 17 eingeschlossenen Bereich, der Ventilplatte 19.

Auf der Oberseite der Ventilplatte ist die Dicht­ schulter 27 erkennbar. Die Hartstoffbeschichtung 29 auf der Oberseite der Ventilplatte ist hier aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit weggelassen.

Auf den dritten Wafer 7 folgt schließlich die Deck­ schicht 9, die nach der Bearbeitung einen die erste Öffnung 23 bildenden Ringkanal und eine kreisför­ mige zweite Öffnung 25 aufweist. Es ist hier er­ sichtlich, daß der Innendurchmesser der Öffnung 25 kleiner ist als der Innendurchmesser der Dicht­ schulter 27, so daß diese in dichtenden Eingriff mit der Unterseite der Deckplatte 9 treten kann.

Aus der Beschreibung des Aufbaus des Mikroventils 1 wird die Vereinfachung des Herstellungsverfahrens schon ersichtlich: Bei der Herstellung des Mikroventils werden die einzelnen Wafer aufeinandergebondet. Die Oberflä­ chen der Wafer werden vor der Verbindung poliert, so daß sich eine glatte Oberfläche ergibt. Vor der Strukturierung einer Oberfläche einer Schicht wird diese schon für das Bonden mit der nächsten Schicht vorbereitet und poliert. Die polierten Flächen wer­ den so abgedeckt, daß sie bei der Herstellung der gewünschten Strukturen mittels eines Ätzverfahrens, daß sie unversehrt bleiben. Lediglich die Bereiche der Oberfläche des Wafers aus der die späteren Strukturen herausgearbeitet werden sollen, werden bei dem Ätzverfahren also angegriffen.

Auf jeden Wafer wird eine weitere nicht-struktu­ rierte Schicht gebondet, wenn der Wafer fertig be­ arbeitet ist. Nachdem also die Trägerschicht 3 mit der Vertiefung versehen wurde, wird ein Wafer, der zweite Wafer 5 aufgebracht. Dabei ist der Wafer 5 noch ohne Struktur. Es bestehen also keinerlei Pro­ bleme der Ausrichtung des zweiten Wafers gegenüber dem ersten Wafer. Die von dem ersten Kanal 13 umge­ bene Erhebung, der Bereich 21, soll aus Gründen der optimalen Kraftverteilung zentral über der Vertie­ fung 11 des ersten Wafers 13 liegen. Da der Kanal jedoch erst nach dem Bonden des zweiten Wafers her­ gestellt wird, ist die Verbindung beider Schichten problemlos.

Auf den zweiten Wafer 5 wird eine durchgehende Schicht aufgebondet, der dritte Wafer 7. Erst nach dem Aufbringen wird der zweite Kanal 17 in den dritten Wafer eingebracht. Es zeigt sich, daß hier ganz besondere Vorteile gegeben sind, da nach der Strukturierung des dritten Wafers 7 gemäß Fig. 3 zwei Teile existieren: der Ring 44 und die Ventil­ platte 19. Die Ausrichtung dieser beiden Teile wäre wesentlich schwieriger als das Aufbringen der un­ strukturierten Schicht.

Dieselben Vorteile gelten auch bei der Aufbringung der Deckschicht 9, die jedoch grundsätzlich auch strukturiert aufgebracht werden kann.

Die Deckschicht 9 kann aus Pyrex-Glas hergestellt sein. Die Verbindung mit dem darunterliegenden Wa­ fer erfolgt dann über anodisches Bonden. Aber auch diese Deckschicht kann, wie alle anderen Schichten, aus Silicium hergestellt werden, wobei dann für die Verbindung das bekannte Bonden zweier Silicium­ schichten zum Einsatz kommt.

Die Festigkeit der gebondeten Siliciumschichten des fertigen Ventils entspricht der eines Einkristalls. Es ergibt also eine hohe mechanische Festigkeit.

Silicium ist chemisch inert, d.h., die mit dem Ventil gesteuerten Medien werden nicht beeinflußt.

Da alle Schichten aus demselben Material, aus Sili­ cium bestehen, können thermische Spannungen im Be­ trieb des Ventils nicht auftreten. Auch bei Verwen­ dung von Pyrex-Glas als Deckschicht 9 treten prak­ tisch keine thermischen Spannungen auf, da die thermischen Eigenschaften dieses Materials denen von Silicium sehr nahe kommen.

Alle hier angesprochenen Strukturen können mit Hilfe von bekannten Ätzverfahren in die Schichten eingebracht werden.

Bei der Herstellung der Abdeckung der Vertiefung 11 in dem ersten Wafer 3 durch den Boden 15 des Kanals 13 in dem zweiten Wafer 5 kann die Dicke des Bodens dadurch eingestellt werden, daß die Ätzzeit vorge­ geben wird. Es ist jedoch auch möglich, das Mate­ rial des zweiten Wafers 5 auf der Unterseite mit einer Schicht 45 hoher Dotierung zu versehen. Dabei ist es für die Erfindung unwesentlich, ob die Schicht durch Aufbringen von dotiertem Material oder durch Einbringen von Dotierungsmaterial er­ zeugt wird. Werden nun selektive Ätzmittel einge­ setzt, so endet der Ätzvorgang mit Erreichen dieser Schicht. Dadurch läßt sich die Dicke des Bodens des Kanals, durch die die Biege-Eigenschaften, also die mechanischen Eigenschaften des Ventils eingestellt werden, vorbestimmen. Dies läßt sich auch mit einem elektro-chemischen Ätzstop erreichen.

Während der zweite Kanal 17 in den dritten Wafer 7 eingeätzt wird, ändert sich nicht nur die Tiefe des Kanals, sondern auch dessen Weite. Während sich also das Ätzmittel in die Tiefe einfrißt, werden auch die seitlichen Kanalwände angegriffen. Daher sind die Maße der Außenkante der Ventilplatte 19 nicht genau definiert. Aus diesem Grund wird in die Oberseite der Ventilplatte, vorzugsweise in einem getrennten Arbeitsgang, die Dichtschulter 27 einge­ bracht, indem der von der Dichtschulter einge­ schlossene Bereich und der diese umgebende Randbe­ reich weggeätzt wird. Die in horizontaler Richtung vorgegebenen Maße der Dichtschulter lassen sich da­ bei sehr genau einstellen, weil hier die Ätztiefe der Höhe der Dichtschulter 27 entspricht. Die Ab­ messungen der Dichtschulter sind also sehr viel ge­ nauer vorherbestimmbar als die Außenkante, die äußeren Abmessungen, der Ventilplatte 19.

Der Radius der Dichtschulter ist besonders wichtig, wenn man einen Druckausgleich an der Ventilplatte erzielen will. Das heißt, es soll möglichst sicher­ gestellt werden, daß die von oben auf die Ventil­ platte 19 wirkenden Kräfte denen entsprechen, die von unten einwirken.

Bei geschlossenem Ventil baut sich durch das über die erste Öffnung 23 eintretende Medium im Ringraum um die Ventilplatte und unter Ventilplatte der durch den ersten Kanal 13 und den zweiten Kanal 17 gebildet wird ein Druck auf, der im wesentlichen auf den Bereich des Bodens 15 des ersten Kanals 13 wirkt, der gleichzeitig Abdeckung der Vertiefung 11 ist. Aus Fig. 2 ergibt sich, daß dieser Ringbe­ reich des Bodens 15 etwa durch den Außenradius r0 des vom Kanal 13 eingeschlossenen Bereichs 21 und durch den Außenradius R der Vertiefung 11 bestimmt wird. Der über die erste Öffnung 23 einwirkende Druck versucht, diesen Ringbereich des Bodens 15 nach unten auszulenken, also die Ventilplatte von der Deckplatte 9 abzuheben. Zugleich wirkt in ent­ gegengesetzter Richtung durch den über die erste Öffnung 23 eintretenden Druck eine Druckkraft nach oben. Diese wirkt auf eine Fläche, die einerseits bestimmt wird, durch den Außenradius der Dicht­ schulter r2 und durch den Außenradius r0 des Be­ reichs 21, auf dem die Ventilplatte 19 aufliegt. Die von den Radien r0 und r2 umschriebene Ringflä­ che der Ventilplatte 19 dient also als Druckaus­ gleichsfläche für die von den Radien r0 und R um­ schriebene Ringfläche des Bodens 15 des ersten Kanals 13.

Die Ringfläche des Bodens 15 und die Ringfläche der Ventilplatte 19 werden so aufeinander abgestimmt, daß die Druckkräfte im wesentlichen ausgeglichen werden.

Die Dicke der Ringschulter 27 wird durch den Unter­ schied zwischen den Radien r1 und r2 bestimmt, die ebenfalls in Fig. 2 eingezeichnet sind. Der Außen­ radius der Ventilplatte 19 ist dort mit rP angege­ ben.

Bei dem Druckausgleich wirken auch noch einerseits der in der zweiten Öffnung 25 herrschende Rück­ laufdruck und andererseits der in der Vertiefung 11 herrschende Druck. Der Rücklaufdruck wirkt auf die Fläche der Ventilplatte 19, die von der Dichtschul­ ter 27 eingeschlossen wird. Hier ist also der in­ nere Radius r1 der Dichtschulter entscheidend. Der von unten auf die Ventilplatte wirkende Druck wird bestimmt durch den Radius R der Vertiefung 11.

Für einen möglichst genauen Ausgleich eines von un­ ten auf die Ventilplatte 19 wirkenden Drucks ist hier von Bedeutung, daß der Radius R der Verteifung 11 aufgrund der geringen Tiefe sehr genau einstell­ bar ist.

Durch die Festlegung der verschiedenen, in Fig. 2 eingezeichneten Radien wird nicht nur der Druckaus­ gleich ermöglicht; es lassen sich auch die mechani­ schen bzw. dynamischen Eigenschaften des Ventils beeinflußen.

Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel wird dadurch betätigt, daß unterhalb der Ventil­ platte 19 ein elastischer Bereich des Bodens 15 des ersten Kanals 13 vorgesehen ist, der Teil einer Kondensatorplatte darstellt. Grundsätzlich ist es auch möglich, auf der gegenüberliegenden Seite der Ventilplatte über eine mechanische Kopplung eine weitere Betätigungseinrichtung vorzusehen. Bei ei­ ner zweiseitigen Betätigung der Ventilplatte könnte diese zwischen zwei stabilen Lagen hin und her be­ wegt werden.

Anstelle des Kondensators kann auch eine andere Be­ tätigungseinrichtung vorgesehen werden. Beispiels­ weise ist es möglich, die Ventilplatte aus einer unbetätigten geöffneten Stellung durch einen Über­ druck in der Vertiefung 11 nach oben in die ge­ schlossene Stellung zu bewegen. Der Überdruck kann beispielsweise durch Aufheizen eines in der Vertie­ fung 11 eingeschlossenen Mediums erfolgen.

Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Zufuhr des gesteuerten Mediums über die erste Öffnung 23 erfolgt, wobei diese auf derselben Seite des Mikroventils 1 ange­ ordnet ist, wie die Auslaßöffnung 25. Es ist jedoch auch möglich, den das Medium über einen Kanal im dritten Wafer 7, einen Kanal im zweiten Wafer 5 oder einen Durchbruch im ersten Wafer 3 einströmen zu lassen.

Das hier beschriebene Ventil kann für flüssige aber auch für gasförmige Medien eingesetzt werden. Es eignet sich unter anderem als Kraftstoff-Einspritz­ ventil aber auch für Vorsteuerstufen von Servo-Ven­ tilen.

Obwohl beim Ätzen von tiefen Strukturen, deren Randbereiche ebenfalls abgetragen werden, so daß die Dimensionen der Rand- bzw. Wandbereiche nicht exakt vorherbestimmbar sind, ist aufgrund des hier gewählten Aufbaus der Ventilplatte sichergestellt, daß die hydraulisch wirksamen Flächen und damit die auf das bewegliche Ventil wirkenden Kräfte kontrol­ lierbar bzw. kompensierbar sind. Dies wird insbe­ sondere dadurch erreicht, daß die Höhe der Dicht­ schulter 27 wesentlich geringer ist, als die Dicke der Ventilplatte 19, daß also beim Herausätzen der Dichtschulter deren Radien genau bestimmbar sind. Dadurch, daß die Radien derartig geringe Toleranzen aufweisen, können auch hohe Betriebsdruckwerte mit diesem Ventil gesteuert werden, was sonst zu unbe­ herrschbar großen Kräften führen würde. Auf diese Weise können mit dem beschriebenen Ventil auch hohe hydraulische Leistungen beeinflußt werden.

Claims (24)

1. Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils, das aus mehreren aufeinandergebondeten Schichten besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ausgehend von einem als Trägerschicht dienenden un­ tersten Wafer aufgebaut wird, daß jeweils auf einen strukturierten Wafer ein nicht-strukturierter Wafer gebondet wird, und daß der nicht-strukturierte Wa­ fer erst nach dem Bonden auf seiner Oberseite mit einer Struktur versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der unterste Wafer vor dem Aufbonden der nachfolgenden Schicht zur Bildung einer als Teil eines Betätigungsorgans dienenden Vertiefung struk­ turiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vertiefung kreisförmig ausge­ bildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den ersten auf die Träger­ schicht aufgebondeten zweiten Wafer ein die Vertie­ fung zum Teil überspannender erster Kanal einge­ bracht wird, dessen Boden Teil der Abdeckung der Vertiefung und biegeelastisch ausgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Kanal als konzentrisch zur Ver­ tiefung verlaufender erster Ringraum ausgebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf den zweiten Wafer ein nicht­ strukturierter dritter Wafer aufgebondet wird, in den anschließend ein zweiter Kanal eingebracht wird, der eine Durchbrechung zum ersten Kanal dar­ stellt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Innenabmessungen des zweiten Kanals kleiner sind als die des ersten Kanals, und daß die Außenabmessungen des zweiten Kanals gleich oder größer ausgebildet werden als die des ersten Ka­ nals.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der zweite Kanal als konzentrisch zum er­ sten Kanal verlaufender Ringkanal ausgebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des von dem zweiten Kanal umschlossenen Bereichs des zwei­ ten Wafers so strukturiert wird, daß eine im Ab­ stand vom Rand des Bereichs umlaufende Dichtschul­ ter ausgebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberfläche des vom zweiten Kanal um­ schlossenen Bereichs mit einer Hartschicht be­ schichtet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf den dritten Wafer eine nicht-strukturierte Deckschicht aufgebracht wird, und daß in diese Schicht eine über dem vom zweiten Kanal umschlossenen Bereich angeordnete Durchbrechung sowie ein in einem Abstand zur Durch­ brechung verlaufender dritter Kanal eingebracht wird, dessen Unterseite sich zum zweiten Kanal hin öffnet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußeren Abmessungen der Durchbre­ chung in der Deckschicht kleiner ausgebildet werden als die inneren Abmessungen der Dichtschulter.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen in die einzelnen Schichten mit Hilfe eines Ätzverfahrens eingebracht werden.

14. Mikroventil aus mehreren aufeinandergebondeten Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schich­ ten (3, 5, 7, 9) einseitig mit einer Struktur ver­ sehen sind.

15. Mikroventil nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf einen als Trägerschicht dienenden untersten Wafer (3) ein zweiter Wafer (5) gebondet ist, der auf einem von einem Kanal (13) umgebenen Vorsprung (21) eine Ventilplatte (19) trägt, die Teil einer auf den zweiten Wafer (5) gebondeten dritten Wafer (7) ist, und daß die Ventilplatte (19) in Wirkeingriff mit einer auf die dritten Wa­ fer (7) gebondeten Deckschicht (9) ist.

16. Mikroventil nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberseite der Ventilplatte (19) eine in einem Abstand von ihrem Rand umlaufende Dichtschulter (27) trägt, die in Eingriff mit der Unterseite der Deckschicht (9) bringbar ist.

17. Mikroventil nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Höhe der Dichtschulter (27) we­ sentlich kleiner ist als die Dicke der Ventilplatte (19).

18. Mikroventil nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite der Ven­ tilplatte (19) mit einer Hartschicht (29), vorzugs­ weise mit Siliciumnitrit beschichtet ist.

19. Mikroventil nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (9) aus Pyrex-Glas und alle anderen Schichten (3, 5, 7, 9) aus Silicium bestehen.

20. Mikroventil nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schichten (3, 5, 7, 9) aus Silicium bestehen.

21. Mikroventil nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite des un­ tersten Wafers (3) und/oder die Unterseite des darüberliegenden zweiten Wafers (5) mit einer Isolationsschicht (33, 35) , vorzugsweise aus Sili­ ciumoxid versehen ist.

22. Mikroventil nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten und dritten Wafer (5, 7) eine Isolationsschicht, vorzugsweise aus Siliciumoxid, vorgesehen ist.

23. Mikroventil nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in die Ober­ und/oder Unterseite des untersten Wafers (3) eine dotierte Schicht (31) eingebracht ist.

24. Mikroventil nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des zweiten Wafers (5) mit einer Schicht (45) hoher Dotierung versehen ist.