静电微型泵及生产静电微型泵的方法与流程

1.根据本发明的实施例涉及微型机械致动器。根据本发明的另外的实施例涉及微型机械泵。根据本发明的另外的实施例涉及静电微型机械泵。


背景技术：

2.竖直静电致动器在操作期间表现出不稳定性，因为处于或高于特征电压的静电力超过电极间距和机械恢复力的静水压力。如果调整电极的非操作距离，那么这种非线性用在致动器的操作中，以降低操作电压并使用更少的能量。此外，静电致动器的操作总是要求电场中的电极和/或侧壁的钝化或绝缘，以防止电短路或甚至电击穿。
3.由于静电力是短程的，因此静电驱动的微型泵具有相对小的冲程。偏转力与电极之间的距离成二次方比例。例如，已知的微型泵可能只有5μm的冲程，从而导致只有大约40nl的小冲程体积。具有大的死体积导致压缩比非常小。已知的微型泵不能容忍气泡并且不适用于可压缩介质(诸如空气)，从而使得微型泵不是很实用。
4.另外，已知的微型泵是手动构建的，以便在使用200v或更高的必要的高供电电压时防止对电极与隔膜之间的电接触或短路。手动构建芯片是完全不经济的。
5.另一方面，与压电驱动的微型泵相比，由硅制成的静电驱动的微型泵具有许多优点：
6.·
在标准mems铸造车间中完成晶片级处理，无压电粘合
7.·
所有工艺步骤均是晶片级的成熟的硅微加工技术
8.·
没有由于压电放置、调供胶(glue dosing)、胶水园艺(glue gardening)等引起的制造公差
9.·
所有机械部件都由硅制成：无陶瓷，无疲劳，长期操作无微裂纹
10.·
只有硅作为材料(没有如pzt压电中的pb，满足rohs)
11.·
可以在非常高的温度下操作，估计高达800℃(仅有硅，取决于用于电气接口的材料)
12.·
没有压电，因此没有滞后现象发生
13.·
电容100pf而不是2nf(压电)：能耗更小
14.·
小型化潜力：
15.ο压电限于陶瓷的拾取与贴装技术(pick&place)，不小于3
×
3mm2是可行的
16.ο静电驱动的泵可以实现得更小(2
×
2，也许1
×
1mm2)，无需拾取与贴装技术
17.ο静电制动的冲程(200v时约为5μm)主要与芯片尺寸无关。对于压电，冲程还取决于芯片尺寸
18.·2×
2mm2微型泵：
19.ο8000个微型泵/8英寸晶片
20.ο》200wspw的制造成本约为10美分
21.虽然与压电驱动的泵相比，静电驱动的微型泵有很多优点，但市场上还没有可用
的静电驱动的微型泵。
22.需要实现被配置为以晶片级生产的静电微型泵，同时最小化短路的风险。本发明克服了已知的静电驱动的微型泵的缺点，使得能够实现上面提到的优点。


技术实现要素：

23.一般而言，为了克服已知的静电驱动的微型泵的缺点，静电制动的隔膜应当具有相当高的冲程体积和足够高的阻断压力。接下来，工艺应使具有足够小的泵室死体积的阀单元适应致动单元以实现高压缩比。而且，泵应当能够在完整晶片级上与电分离或隔离的电极组装。接下来，将晶片切割成泵芯片之后，应当可以接触到电极，并且不应当出现边缘短路的危险。
24.根据本发明的实施例是包括隔膜布置的静电微型泵，该隔膜布置包括隔膜和第一电极结构。静电微型泵还包括阀布置，阀布置包括入口止回阀和出口止回阀，其中隔膜布置和阀布置至少部分地封住泵室。静电微型泵还包括布置成与第一电极结构形成静电驱动器的第二电极结构。静电驱动器被配置为使隔膜偏转。静电微型泵还包括布置在第一电极结构和第二电极结构之间的至少一个抗粘连凸块，其中在微型泵的非活动状态下，第一电极结构和第二电极结构之间的间距从泵室的外围区域开始朝着泵室的中心区域变化，其中外围区域封住中心区域。
25.在微型泵的活动状态下，隔膜被配置为通过由第一电极结构和第二电极结构形成的静电驱动器而偏转。
26.至少一个抗粘连凸块布置在第一电极结构和第二电极结构之间，以防止隔膜粘附到第二电极结构。
27.在优选实施例中，第一电极结构和/或第二电极结构包括高度变化的剖面，第一电极结构和第二电极结构之间的间距从泵室的外围区域朝着泵室的中心区域增加。
28.两个电极结构中的至少一个的高度变化的剖面被配置为扩大泵室和/或泵室的冲程体积。另外，高度变化的剖面可以减小第一电极结构与第二电极结构之间的最近距离，这会降低静电驱动器所需的电压和/或能量使用。
29.对电极的高度变化的剖面在理论上对冲程体积具有限制作用，因为它形成机械止动件。因此，重要的是选择降低操作电压并且不减小冲程体积，而是增加冲程体积的高度剖面。
30.致动状态下的电极之间、移动电极和刚性电极之间的体积可以具有未致动状态下的电极之间的体积值的大约一半。
31.根据实施例，至少一个抗粘连凸块被布置在与高度变化的剖面相对的第一或第二电极结构处。
32.至少一个抗粘连凸块可以布置在第二电极结构处，即，不在第一电极结构处或不在隔膜布置处。至少一个抗粘连凸块可以布置在与高度变化的剖面相对的第二电极结构处。抗粘连凸块降低了在第一电极结构和第二电极结构之间发生粘附的风险，例如，在供电电压超过吸合电压的情况下，和/或例如，在隔膜通过静水压力压在对电极上的情况下。至少一个抗粘连凸块减少了静电粘附(在超过吸合电压的情况下)和由静水压力造成的范德华粘附的发生。
33.布置抗粘连凸块以与高度变化的剖面相对，例如在平面处，可以允许容易地布置或生成抗粘连凸块并且高度变化的剖面的精度不受生成抗粘连凸块的影响。
34.使用静电致动的一个问题是静电粘附。如果施加高电压，那么两个部分相互接触。在那种情况下，绝缘层中出现非常高的电场，并且电荷可以(由这个高场驱动)在两个部分的边界上方迁移到绝缘层中。之后，如果释放电压，那么电荷停留在绝缘层中，形成静电粘附。为了克服这种情况，一个有前途的策略是例如通过抗粘连凸块减少施加高电场情况下的接触区域。抗粘连凸块的作用是减少硬-硬接触区域，以减少电荷可以迁移的面积。有凸块的接触区域与没有泵的接触区域之间的比率将减少静电粘附。此外，有益的比率也将减少范德华粘附。而且，致动器或微型泵的双极(例如，-200v至200v)驱动电压也会降低静电粘附效应。
35.关于凸块的设计，有以下边界条件：由于凸块的高度减小致动器的冲程，因此这个高度应当尽可能小。关于蚀刻技术，10纳米到200纳米之间的高度是可行的。小的气隙已经足以避免这些区域中的电荷迁移。
36.与没有泵的接触区域相比，所有凸块的接触区域应当小得多(以减少粘附)。但是，如果所有凸块的总和的这个接触区域太小，那么整个力就会集中在这个小的区域处，这会超过凸块的机械稳定性。凸块会被凸块处的静电压缩力损坏。为此，应当选择这个接触区域，使其显著低于可以施加的最大机械应力。对于单晶硅，这个值大约为4gpa，对于氧化硅，该值更小。
37.根据实施例，第一电极结构和第二电极结构之间的间距从外围区域开始朝着泵室的中心区域以多个步长逐步增加。
38.泵和/或电极室的从外围区域朝着中心区域逐步增加的高度剖面可以减小第一电极结构和第二电极结构之间的最近距离，从而导致对供电电压的需求减少，减少微型泵的能量使用，并允许使用更小的成熟电路来生成高电压。
39.在优选实施例中，在外围区域中，第一电极结构和第二电极结构通过绝缘层彼此绝缘，所述绝缘层提供与第一电极结构和第二电极结构的机械接触并防止第一电极结构和第二电极结构之间发生电击穿。
40.由于第一电极结构和第二电极结构形成使隔膜偏转的静电驱动器，因此第一和第二电极结构之间发生电击穿会导致小的静电力以使隔膜偏转。即，两个电极结构之间的电击穿不是优选的并且被两个电极结构之间的绝缘层阻止。
41.在优选实施例中，静电驱动器被配置为基于第一电极结构和第二电极结构之间的电压来改变泵室中的压力和/或泵室的体积。
42.由第一和第二电极结构形成的静电驱动器在泵室上施加压力，其中该力取决于第一电极结构和第二电极结构之间的电压。第一和第二电极结构之间的电压可以以小步长改变，这使得微型泵成为实用设备，其中泵室的体积和/或压力可以以小步长有意地设置。
43.在优选实施例中，阀布置是层布置。入口止回阀和出口止回阀相对于阀布置被布置在平面内。入口止回阀和出口止回阀均包括入口隧道、阀瓣、出口隧道和死体积，其被配置为引导流体流动通过入口隧道，通过打开状态下的阀瓣，并通过出口隧道。流体流动通过入口止回阀的方向与流体流动通过出口止回阀的方向相反。
44.静电微型泵包括至少一个入口止回阀和至少一个出口止回阀。为了实现快速和/
或廉价生产，入口止回阀和出口止回阀可能被布置为层布置，其中入口止回阀和出口止回阀与层布置在平面内。为了进一步降低阀布置的复杂性，相同或相似的止回阀可以被用于入口止回阀和出口止回阀，其中入口止回阀的入口隧道指向与出口止回阀的入口隧道相反的方向。
45.在优选实施例中，隔膜布置包括作为第一电极结构的至少一部分的导电层。
46.如果隔膜布置的隔膜由非导电材料制成，那么隔膜布置包括作为第一电极结构的一部分的附加导电层。
47.在优选实施例中，阀布置包括半导体层的堆叠并且包括例如480μm-540μm的垂直于阀布置的主表面的厚度，和/或其中隔膜布置包括具有例如10μm-120μm的垂直于隔膜布置的主表面的厚度的半导体层。
48.在优选实施例中，阀布置包括作为第二电极结构的至少一部分的导电层。可以通过将隔膜布置附接到阀布置来实现本发明的实施例。隔膜布置和阀布置均包括导电层或由导电材料制成，其为第一或第二电极结构的至少一部分。泵室由阀布置和隔膜布置形成。
49.在优选实施例中，当被致动时，静电驱动器被配置为使隔膜朝着阀布置偏转，以压缩泵室，从而导致流体从泵室通过出口止回阀流向环境。
50.根据实施例，从泵室流动通过出口止回阀的流体是非导电流体。
51.非导电流体防止在形成泵室的第一电极结构和第二电极结构之间发生电击穿。电击穿会减小压缩泵室的力，这不是优选的。
52.在优选实施例中，阀布置包括半导体层(诸如硅层)的堆叠，并且包括例如480μm至540μm的垂直于阀布置的主表面的厚度，和/或其中隔膜布置包括半导体层，如硅层，其垂直于阀布置的主表面的厚度例如为10μm至120μm。
53.根据实施例，静电泵包括定子结构。隔膜布置被布置在阀结构和定子结构之间，使得定子结构和隔膜布置封住电极室。定子结构包括作为第二电极结构的至少一部分的导电层。
54.静电微型泵可以包括定子结构、隔膜布置和阀布置。定子结构附接到隔膜布置，从而形成电极室。隔膜布置还附接到阀结构，从而形成泵室，其中隔膜布置在定子结构和阀布置之间。在这个实施例中，隔膜布置包括第一电极结构，并且定子结构包括第二电极结构。
55.根据实施例，当被致动时，静电驱动器被配置为使隔膜布置朝着定子结构偏转以使泵室膨胀，从而导致流体通过入口止回阀流入泵室。
56.静态驱动器由第一和第二电极结构形成，即，由定子结构和由隔膜布置形成。当被致动时，定子结构保持机械稳定并且隔膜布置朝着定子结构偏转，从而导致电极室的压缩和泵室的膨胀。随着泵室膨胀，泵室中的压力下降，从而导致流体从环境通过入口止回阀流入泵室。
57.根据实施例，通过入口止回阀流入泵室的流体是导电或非导电流体。
58.在本发明的微型泵包括单独的电极室和单独的泵室的情况下，第一和第二电极结构形成电极室。在这种情况下，在泵室内流动的流体与两个电极结构都没有接触，从而导致流体的导电性对静电微型泵的泵性能没有影响。
59.根据实施例，定子结构包括半导体层，诸如硅层，并且包括例如450μm的垂直于阀布置的主表面的厚度。
60.在优选实施例中，与隔膜布置相比，定子结构包括高刚度。
61.具有刚性定子结构或至少比隔膜布置更硬的静电微型泵具有以下益处：当被致动时，定子结构保持稳定或机械稳定，而隔膜布置是移动部分。
62.根据实施例，静电微型泵包括通风口，其被配置为将电极室与静电微型泵的环境流体连接。
63.将电极室与环境连接起来的通风口充当电极室与环境之间的压力均衡器。在这种情况下，大气压不会改变隔膜的零位置，即，未致动状态下的位置。即，通过平隔膜可以获得高压缩比，并且随着隔膜移动，电极室中不会生成背压。
64.在优选实施例中，通风口被配置为通过使用弯道(meander)、高流动阻力或毛细管止动件(capillary stop)来防止电极室的污染。
65.电极室的污染会降低隔膜的移动性，会减少电极室的体积和/或会造成第一电极结构和第二电极结构之间的电击穿，从而增加两个电极结构之间所需的电压和/或静电力以使隔膜偏转。不同的方法，诸如弯道、高流动阻力和/或毛细管止动件，防止电极室的污染。
66.根据实施例，通风口包括过滤器和/或缓冲体积，其被配置为防止电极室受到污染。
67.使用缓冲体积代替电极室来经受污染和/或使用过滤器来滤除污染物可以进一步防止电极室的污染。
68.根据实施例，隔膜布置的隔膜被预偏转。
69.隔膜布置可以被预偏转，而不是使用通风口。预偏转的隔膜布置可以进一步减小第一和第二电极结构之间的距离，从而减小压缩电极室和使泵室膨胀所需的力和/或电压。隔膜布置在真空中可能与定子结构键合。预偏转的程度可以取决于所施加的真空度。
70.在优选实施例中，隔膜布置被预偏转以在接触区域中在静电驱动器的未被致动的状态下与定子结构形成机械接触，其中静电驱动器适于在致动状态下增加接触区域。
71.由于静电力与第一电极结构和第二电极结构之间的距离呈二次方关系。预偏转的隔膜布置减小了电极结构之间的距离并且可能需要小得多的供电电压来偏转隔膜布置。接触定子结构的预偏转的隔膜布置的另一个益处是可能增加电极室的高度，即，当微型泵被致动时，泵室的体积增加。
72.在优选实施例中，第一电极结构的导电层和第二电极结构的导电层由导电材料(诸如金属材料)或者具有金属材料的导电率的高度掺杂半导体材料(诸如硼或磷和硅)制成。
73.根据本发明的另外的实施例创建了相应的方法。
74.但是，应当注意的是，这些方法是基于与对应装置相同的考虑。而且，这些方法可以通过任何特征或功能来补充并且在本文相对于装置可以单独地以及组合地进行描述。
附图说明
75.下面结合附图对本发明的实施例进行更详细的描述，其中：
76.图1示出了根据实施例的包括三个层的静电微型泵的示意性侧视图；
77.图2示出了根据实施例的包括四个层的静电微型泵的示意性侧视图；
78.图3示出了根据实施例的由制造静电微型泵的步骤提供的第一层和第二层的示意性侧视图；
79.图4示出了根据制造微型泵的实施例的在第一次蚀刻第二层时可以获得的第二层的示意性侧视图，以及蚀刻掩模的顶视图；
80.图5示出了根据制造微型泵的实施例的在第二次蚀刻具有或不具有通风口的第二层时可以获得的第二层的示意性侧视图，以及蚀刻掩模的顶视图；
81.图6示出了根据制造微型泵的实施例的在氧化第一层和第二层时可以获得的绝缘的第一层和绝缘的第二层的示意性侧视图；
82.图7示出了根据制造微型泵的实施例的在绝缘的第二层中蚀刻抗粘连凸块时可以获得的具有抗粘连凸块的绝缘的第二层的示意性侧视图，以及具有点图案的蚀刻掩模的顶视图；
83.图8示出了根据制造微型泵的实施例的在蚀刻掉绝缘的第一层的边框区域时可以获得的绝缘的第一层的示意性侧视图，以及具有边框剖面的蚀刻掩模的顶视图；
84.图9a示出了根据制造微型泵的实施例的在将绝缘的第一层附接到绝缘的第二层时可以获得的芯片级致动器布置的示意性侧视图；
85.图9b示出了根据制造微型泵的实施例的在将绝缘的第一层的晶片附接到绝缘的第二层的晶片时可以获得的多个晶片级致动器布置的示意性侧视图；
86.图10示出了根据制造微型泵的实施例的当从致动器布置的主表面去除绝缘层时可以获得的致动器布置的示意性侧视图；
87.图11示出了根据制造微型泵的实施例的在减薄致动器布置的第一层时可以获得的致动器布置的示意性侧视图；
88.图12示出了根据制造微型泵的实施例的当在致动器布置的具有第一层的主表面上沉积导电材料时可以获得的致动器布置的示意性侧视图；
89.图13示出了根据制造微型泵的实施例的当从外围区域去除导电材料时可以获得的致动器布置的示意性侧视图；
90.图14示出了根据实施例的被配置为测试致动器布置的晶片测试布置的示意性侧视图；
91.图15a示出了根据实施例的致动器布置的示意性侧视图；
92.图15b示出了根据实施例的致动器布置的全回路变体(full-loop variant)的示意性侧视图；
93.图15c示出了根据实施例的微型泵的示意性侧视图；
94.图16示出了根据实施例的静电微型泵设计的模拟值的表；
95.图17示出了根据实施例的具有通风口的微型泵的示意性侧视图；
96.图18a示出了根据实施例的具有缓冲体积和毛细管止动件的通风口的示意性顶视图；
97.图18b示出了根据实施例的具有减小的横截面的通风口的示意性顶视图；
98.图18c示出了根据实施例的具有弯道的通风口的示意性顶视图；
99.图18d示出了根据实施例的具有过滤器的通风口的示意性顶视图；
100.图18e示出了根据实施例的具有缓冲体积的通风口的示意性顶视图；
101.图19a示出了根据实施例的处于非致动状态的具有预偏转的隔膜的微型泵的示意性侧视图；
102.图19b示出了根据实施例的处于致动状态的具有预偏转的隔膜的微型泵的示意性侧视图；以及
103.图20示出了已知的微型泵。
具体实施方式
104.下面，将描述不同的发明实施例和方面。而且，进一步的实施例将由所附权利要求限定。
105.应当注意的是，如权利要求所限定的任何实施例可以由本文描述的任何细节、特征和功能来补充。而且，本文描述的实施例可以单独使用，并且也可以任选地由权利要求中包括的任何细节、特征和功能来补充。
106.而且，应当注意的是，本文描述的各个方面可以单独或组合使用。因此，可以对所述各个方面中的每个方面增加细节，而无需对所述方面中的另一方面增加细节。还应当注意的是，本公开明确或隐含地描述了可用在静电微型泵中的特征。因此，本文描述的任何特征都可以用在静电微型泵的上下文中。而且，本文公开的与方法相关的特征和功能也可以用在被配置为执行此类功能的装置中。
107.此外，本文公开的针对装置的任何特征和功能也可以用在对应的方法中。换句话说，本文公开的方法可以由针对装置描述的任何特征和功能来补充。
108.通过下面给出的详细描述和本发明的实施例的附图将更全面地理解本发明，但是，其不应当被视为将本发明限于所描述的具体实施例，而仅用于解释和理解。
109.图1示出了根据实施例的静电微型泵100的示意性侧视图，其包括三个层101、102、103。虽然将层101、102和103描述为一层，但是它们中的一个或多个层可以由相同或不同材料的多个堆叠层形成。层101、层102和层103可以包括半导体材料，例如硅材料。层101、层102和层103可以包括任何合适的厚度，优选值可以分别是大约(即在
±
50％、
±
30或
±
20％的公差范围内)例如以下值的层厚度：对于层101是450μm，对于层102是30-90μm，并且对于层103是10-120μm。
110.层101的主表面附接到层102的主表面，以便形成包括入口止回阀160和出口止回阀170的阀布置120。入口止回阀160和出口止回阀170相对于阀布置120布置在平面内。入口止回阀160和出口止回阀170可以具有相似的结构，并且当处于打开状态时，允许流体以相反方向流动。
111.层101和102可以包括当彼此附接时形成阀160和170的特定结构。例如，由层101和102形成的结构可以包括开口、引导流体的通道(诸如入口隧道130和/或出口隧道150等)中的一个或多个。例如，其中一些部分可以是可偏转的，例如，响应于流体流动和/或流体压力，诸如阀瓣140。例如，一些部分可以通过允许可偏转部分偏转的空白空间形成，诸如死体积106。
112.阀布置120的主表面附接到隔膜布置180的第一主表面185。
113.隔膜布置180包括层103，其可以通过隔膜布置180的第一主表面185上的绝缘层104(例如二氧化硅层或氮化硅层)与阀布置120绝缘。凹部195可以是被用于例如促进切割
的绝缘间隙的剩余部分，其将结合图14进行描述。
114.阀布置120和隔膜布置180均可以包括电极结构。隔膜布置180包括第一电极结构109，并且阀布置120包括第二电极结构108，其中第一电极结构通过绝缘层104与第二电极结构绝缘。第一电极结构109和第二电极结构108形成被配置为偏转隔膜布置180的静电驱动器。电极结构可以是如图1中所示的单独的层，但也可以例如通过提供至少一层的材料以包括导电材料(例如，金属材料或掺杂的半导体材料，包括它们的组合)来实现。
115.在包括入口阀160和出口阀170的微型泵100的中心区域190，层103或隔膜布置180的第一主表面185包括高度逐步变化的剖面107和一个或多个抗粘连凸块105。至少部分地通过隔膜布置180的第一主表面185上的高度变化的剖面107获得的隔膜布置180和阀布置120的层之间的距离可以提供可以被称为泵室110的体积。可替代地或附加地，抗粘连凸块105也可以定位在泵室110的相对侧，即，在阀布置120处。
116.静电微型泵100被配置为通过在第一电极结构109和第二电极结构108之间施加电压而被致动。电极结构之间的电压产生压缩泵室110的力。该力与第一电极结构109和第二电极结构108之间的距离成二次方关系。
117.与压缩具有恒定距离高度剖面的泵室所需的电压和/或能量使用相比，高度逐步变化的剖面107可以降低压缩泵室110所需的电压和/或能量使用，特别是在实施没有预偏转的膜结构时。如果电极结构108、109之间的电压较高，高于吸合电压，那么第一电极结构109被拉至第二电极结构108，使得隔膜布置180可以接触阀布置120。为了防止隔膜布置180粘附到阀布置120，在第一电极结构109和第二电极结构108之间布置至少一个抗粘连凸块105。例如，图1的抗粘连凸块105布置在包括入口止回阀和出口止回阀的区域190中的隔膜布置180上。但是，替代地或附加地，一个或多个抗粘连凸块105可以被布置为与高度变化的剖面相对，例如分别布置在层102，阀布置120处。
118.通过致动微型泵100的静电驱动器，隔膜布置180被拉向阀布置120，同时压缩泵室110。泵室110的压缩升高泵室110中的压力，从而导致出口止回阀170的阀瓣140打开，从而允许流体通过出口止回阀170从泵室110流出到环境中。
119.降低第一电极结构109和第二电极结构108之间的电压可以导致隔膜布置180在泵室110膨胀的同时向其初始位置或零位置移动或移回其初始位置或零位置。泵室110的膨胀将打开入口止回阀160的阀瓣140并且允许流体从环境通过入口止回阀160流入泵室110。同时，止回阀170可以通过用阀瓣140阻挡流体来阻挡其流动通过出口隧道130。
120.与现有技术的微型泵相比，图1的静电微型泵100具有多个优点。与现有技术的微型泵的供电电压相比，泵室110的高度逐步变化的剖面107可以在低供电电压下操作。与现有技术的微型泵的供电电压相比，低供电电压被视为低的，同时仍保持在高电压范围内。低供电电压减少了静电微型泵100的能量使用并且允许使用小型且成熟的高电压电路。
121.作为进一步的优点，操作静电微型泵100可以在一定程度上克服背压。背压阻碍隔膜布置180的运动。供电电压的增加导致静电压力增加，从而克服背压。
122.用于诸如空气之类的非导电流体的静电微型泵100可以具有高压缩比，高于用于导电流体的静电微型泵的压缩比，诸如图2的微型泵200，因为隔膜布置120的偏转指向泵室110，这会减小附加的死体积106。
123.图2示出了一个实施例的静电微型泵200的示意性侧视图，其包括四个层201-204。
虽然将层201-204描述为一层，但是它们中的一个或多个层可以由相同或不同材料的多个堆叠层形成。层201-204可以包括半导体材料，例如硅材料。层201-204可以分别包括例如为450μm、30-90μm、10-120μm和450μm的厚度，可能在例如
±
50％、
±
30或
±
20％的公差范围内。
124.区域295可以是用于或生成以促进切割的沟槽结构的剩余部分，例如，如与图1的离子连接所描述的。
125.层201的主表面附接到层202的主表面，以便形成阀布置220，类似于图1的阀布置120。阀布置220包括布置在层布置中的入口止回阀260和出口止回阀270，其中入口止回阀260和出口止回阀270的入口隧道指向相反的方向，类似于图1的入口止回阀160和出口止回阀170。
126.阀布置220的主表面附接到包括层203和第一电极结构210的隔膜布置230的第一表面285。阀布置220和隔膜布置230附接以至少在包括入口止回阀260和出口止回阀270的微型泵200的中心区域290处形成泵室207。
127.隔膜布置230布置在阀布置220和定子结构240之间。定子结构包括层204和第二电极结构211。层204的第一主表面245被绝缘层205绝缘。绝缘层204附接到隔膜布置230的第二主表面288。
128.层204的第一表面245在微型泵200的中心区域290处包括高度逐步变化的剖面209和至少一个抗粘连凸块208，该中心区域290至少部分地包括入口止回阀260、出口止回阀270和高度逐步变化的剖面209。隔膜布置230的第二主表面288和定子结构240的第一主表面245在包括高度逐步变化的剖面209的区域290处形成电极室212。
129.第一电极结构210和第二电极结构211形成静电驱动器以偏转隔膜布置230。电极结构可以是如图2中所指示的单独的层，但也可以例如通过提供至少一个层的材料以包括导电材料(例如，金属材料或掺杂的半导体材料，包括它们的组合)来实现。
130.当被致动时，在第一电极结构210和第二电极结构211之间施加电压，使隔膜布置230朝着定子结构240偏转。由于定子结构240具有比隔膜布置230更高的刚度，因此定子结构可以被认为是未偏转的，而隔膜布置230例如朝着定子结构240偏转。当微型泵200被致动时，隔膜布置230压缩电极室212并使泵室207膨胀。泵室207的膨胀导致入口止回阀260打开，从而允许流体从环境通过入口止回阀260流入。
131.降低第一电极结构210和第二电极结构211之间的电压可以使隔膜布置230朝向其初始位置或零位置偏转或偏转回到其初始位置或零位置，从而导致电极室212的膨胀和泵室207的压缩。泵室207的压缩将升高泵室207中的压力并导致出口止回阀270打开，从而允许流体通过出口止回阀270从泵室207流出到环境中。同时，入口止回阀260可以通过用阀瓣阻挡流体来阻止其流动通过入口隧道。
132.与具有恒定距离高度剖面的泵室的微型泵相比，高度逐步变化的剖面209，类似于图1的高度剖面107，减小了第一电极结构210和第二电极结构211之间的距离，降低了偏转隔膜布置230所需的电压和/或能量使用。
133.类似于图1的抗粘连凸块105，通过至少一个抗粘连凸块208防止隔膜布置230粘附到定子结构240上。抗粘连凸块或附加的抗粘连凸块208可以放置在隔膜布置230的第二表面288上，与层204的高度变化的剖面相对。
134.不同于图1的被配置为泵送非导电流体的微型泵100，静电微型泵200被配置为泵送导电和非导电流体，因为流体不接触电极结构。图1的泵室110由第一电极结构109和第二电极结构108形成。泵室110中的导电流体可能引起图1的第一电极结构109和第二电极结构108之间的电击穿。相反，在图2中，静电微型泵200被配置为泵送导电和非导电流体。当流体在泵室207中流动时，第一电极结构210和第二电极结构211形成电极室212。由于泵室207和电极室212之间没有流体连接，因此静电微型泵200也能够泵送导电流体。
135.如在另一个实施例中所解释的，所需的供电电压和/或能量使用可以通过通风口进一步降低，通风口将电极室212与环境流体连接，从而允许电极室212中的压力补偿。
136.静电微型泵，如果其能容忍气泡，那么可以是合理的，可以完全以晶片级生产，并且可以在没有短路风险的情况下进行电气连接。包括隔膜的静电微型泵如同压电驱动的微型泵一样适合实际使用，但与压电微型泵相比具有许多附加的优点。
137.例如，具有静电隔膜的静电微型泵具有低能耗。具有隔膜的静电驱动的微型泵的待充电容量可以比压电驱动的微型泵的待充电容量小大约一个数量级。
138.与由可相比的层材料构建并由压电陶瓷驱动器驱动的微型泵相比，实施例允许泵具有更高的温度稳定性，因为静电驱动器对于半导体驱动器(诸如硅驱动器)只有一个温度膨胀，并且对于压电陶瓷驱动器没有附加的温度膨胀。
139.与压电陶瓷驱动器相比，本公开的主题具有高温或然性(contingent)，因为静电驱动器的电场力不随温度改变。相比之下，压电陶瓷的极化在达到居里温度时消失。
140.本公开的主题具有更高的机械阻力，因为与有缺陷的多晶压电陶瓷和粘合剂相比，静电驱动器包括例如理想的弹性单晶硅。
141.与由压电陶瓷驱动器驱动的微型泵相比，本技术的主题容易制造，因为静电驱动器可以在前端制造工厂中通过mems标准工艺生产。
142.本技术的主题可以被小型化，因为静电驱动器和电极表面的物理原理可以独立地缩放并且有利地具有小距离。
143.本技术的主题是经济的，因为它具有低的供应链成本，因为静电驱动器的生产具有很少的工艺步骤和/或很少的供应链参与者。
144.在介绍了图1和图2中的微型泵的实施例之后，参考以下附图对微型泵的实施例的生产步骤进行说明。
145.图3示出了通过制造静电微型泵(诸如图2的微型泵200)的实施例的第一步获得的第一层和第二层的示意性侧视图。第一步是提供第一层301和第二层302。术语“第一步”、“第二步”等不一定指示某个步骤是初始步骤，而是用于对步骤进行区分。同样，步骤的顺序也不必受这种措辞的限制。
146.第一层301可以成为隔膜布置，类似于图2的隔膜布置230，而第二层302可以成为定子结构，类似于图2的定子结构240。
147.例如，两个层均可以是晶片的一部分，理想地晶片由抛光的单晶硅制成，其中x表示给定层的抛光表面。如表303中所示，这两个晶片(如硅晶片)均可以是p+或n+掺杂的。因而，两个层均可以是n+或者p+掺杂的，或者第一层可以是n+掺杂的，而第二层可以是p+掺杂的。
148.两个晶片均可以是例如单面抛光的(ssp)8英寸、高度掺杂的晶片，其厚度例如是
750μm，电阻率是例如0.001-0.1ohm-cm。可以在晶片的抛光面上为进一步工艺(诸如蚀刻工艺)施加标记(诸如调整标记或键合标记)。
149.图4示出了根据制造静电微型泵(诸如图2的微型泵200)的实施例的可以通过对第二层302进行第一次蚀刻获得的第二层302的示意性侧视图。图4还示出了蚀刻掩模的顶视图，该蚀刻掩模被配置为用于在抛光的主表面处蚀刻第二层302。
150.例如使用可以具有圆形形状的掩模420在晶片的区域405处蚀刻第二层以在其中生成圆形泵室或台阶，该区域405旨在成为稍后要切割的微型泵的中心区域，蚀刻深度例如为大约3μm。蚀刻的深度和/或掩模的几何形状可以根据晶片的属性和/或泵的要求等而不同。经蚀刻的区域405用作高度逐步变化的剖面(类似于图2的高度逐步变化的剖面209)的第一步。
151.图5示出了根据制造静电微型泵(诸如图2的微型泵200)的实施例的可以通过对第二层302进行第二次蚀刻获得的第二层302的示意性侧视图。图5还示出了被配置用于第二次蚀刻第二层302的各种蚀刻掩模510、520、530、540的顶视图。
152.例如使用形状类似于图4的掩模420的形状的掩模510，例如具有圆形形状，将图4的第二层302在晶片的区域505处在抛光的主表面上再次蚀刻约例如3μm的深度，该区域505旨在成为随后被切割的微型泵的中心区域。经蚀刻的区域505和/或掩模510具有与图4的中心区域405和/或掩模420不同的直径。经蚀刻的区域505与经蚀刻的区域405一起形成高度逐步变化的剖面560，类似于图2的高度逐步变化的剖面209。
153.可替代地，可以通过掩模520、掩模530或掩模540在抛光的主表面上蚀刻第二层302。掩模520、530和540在它们被配置为蚀刻或创建具有通风口550的圆形室的方式上是相似的。通风口550被配置为将电极室与静电微型泵的环境连接。
154.蚀刻掩模520和530示出了不同角度的通风口的示例。蚀刻掩模540被配置为蚀刻多于一个(例如四个)电极室，其具有相应的通风口550，用于创建多于一个(例如四个)微型泵。蚀刻工艺可以使用spts非切换工艺管理。经蚀刻的室的深度可以因晶片而异。
155.图6示出了根据制造静电微型泵(诸如图2的静电微型泵200)的实施例的可以通过氧化第一层301和第二层302获得的绝缘的第一层301和绝缘的第二层302的示意性侧视图。
156.第一层301和经蚀刻的第二层302这两个层均被氧化，从而在它们的两个主表面上创建氧化物层。氧化物层的目标厚度例如是400nm，其充当两个电极结构之间的绝缘层，这防止在例如小于200v的电压值下电极结构之间的电击穿。氧化工艺在层302和301的两个主要侧上创建绝缘氧化物层610，类似于图2的绝缘氧化物层205。
157.图7示出了根据制造静电微型泵(诸如图2的静电微型泵200)的实施例的具有抗粘连凸块708的绝缘的第二层302的示意性侧视图，该抗粘连凸块708可以通过在经蚀刻的第二层302的高度变化的剖面560上的绝缘氧化物层610中蚀刻抗粘连凸块708来获得。
158.图7还示出了蚀刻掩模710的顶视图，其被配置为用于蚀刻抗粘连凸块708。用于蚀刻抗粘连凸块708的蚀刻掩模710包括具有点图案730的圆形剖面720。
159.可以使用koh通过干蚀刻工艺或湿蚀刻工艺来蚀刻抗粘连凸块708，目标深度非常小(例如，在20nm和200nm之间，其中抗粘连凸块708的目标直径是例如20μm。抗粘连凸块708类似于图2的抗粘连凸块208。
160.图8示出了根据制造微型泵(诸如图2的微型泵200)的实施例的可以在蚀刻掉绝缘
的第一层301的边框区域830时获得的绝缘的第一层301的示意性侧视图。例如，通过使用具有边框剖面820的蚀刻掩模810蚀刻掉第一层301的抛光表面上深度为例如36μm的边框区域830。
161.蚀刻掉第一层301的边框区域830或减薄第一层301的边框区域830为切割工艺准备第一层。例如，在减薄划片(dicing-by-thinning)工艺中，可以通过干蚀刻工艺蚀刻掉大约36μm的深度。
162.另外，边框区域830将在相邻的隔膜布置之间提供绝缘间隙，从而允许在制造方法中以晶片级测试微型泵。
163.图9a和图9b示出了根据制造微型泵(诸如图2的微型泵200)的实施例的在将绝缘的第一层301附接到绝缘的第二层302时可以获得的致动器布置的示意性侧视图。图9a示出了芯片级910的致动器布置的示意性侧视图，而图9b示出了晶片级940的多个致动器布置的示意性侧视图。
164.第二层302的具有逐步高度剖面560并具有抗粘连凸块708的主表面附接到第一层301的经蚀刻的主表面。第一层301和第二层302通过例如晶片键合在例如1050℃下附接，持续时间为例如四小时。第一层301和第二层302形成电极室930，类似于图2的电极室212。
165.第一层301和第二层302键合在一起以形成致动器布置920。将这两个层301、302以晶片级940键合在一起，其中各个芯片910还没有被切割。
166.致动器布置920可以包括在其两个主表面上的绝缘氧化物层610。
167.图10示出了根据制造微型泵(诸如图2的微型泵200)的实施例的可以通过从致动器布置930的主表面去除绝缘层610而获得的致动器布置的示意性侧视图。
168.氧化物层的去除可以通过湿化学工艺进行，诸如hf-dip。致动器布置920的主表面的绝缘层的去除允许形成与第一层301和/或第二层302的电接触。
169.图11示出了根据制造微型泵(诸如图2的微型泵200)的实施例的当使致动器布置920的第一层301减薄时可以获得的致动器布置930的示意性侧视图。为了由第一层301创建隔膜，即，使层301可偏转并且足够机械稳定以在偏转时不破裂，减小第一层301的厚度。例如，第一层301可以从例如750μm减薄到例如30μm。
170.例如，可以通过将第一层301从750μm磨削到100μm，然后应用化学-机械抛光(cmp)以达到例如50μm的厚度来进行减薄工艺。剩余的例如20μm可以通过干蚀刻被蚀刻掉。第一层301变成隔膜，其厚度与图2的隔膜布置230的厚度范围相同。
171.如果由第一层301产生的隔膜是非导电隔膜，那么推荐在隔膜上沉积电极结构。
172.图12示出了根据制造微型泵(诸如图2的微型泵200)的实施例的可以通过在致动器布置920的具有第一层301的主表面上沉积导电材料1210获得的致动器布置920的示意性侧视图。
173.沉积可以通过例如在致动器布置920的具有由第一层301制成的隔膜的表面上溅射导电材料1210(诸如铝)来进行。导电材料1210可以充当图2的隔膜布置230的第二电极结构210。
174.由于溅射工艺可以将导电材料1210沉积在致动器布置920的整个表面上，而不仅仅是在由第一层301制成的隔膜上，因此优选地去除隔膜之间的导电材料1210，如图13中所示。
175.图13示出了根据制造微型泵(诸如图2的微型泵200)的实施例的可以通过从不包括隔膜的微型泵的外围区域去除导电材料而获得的致动器布置的示意性侧视图。
176.从稍后要切割的微型泵的外围区域(其位于由第一层301制成的隔膜之间)去除导电材料1210使隔膜与相邻的隔膜绝缘。导电材料的去除可以通过喷涂和湿化学蚀刻来进行。
177.第一层301和导电层1210形成隔膜布置1310，类似于图2的由层203和第二电极结构210形成的隔膜布置230。
178.隔膜布置1310可以与相邻的隔膜布置1310绝缘，从而允许在如图14所示的晶片测试布置1400中进行晶片级测试。例如，可以形成沟槽，其可以导致剩余部分195和/或295。
179.图14示出了晶片测试布置1400的示意性侧视图，其被配置为以晶片级测试致动器布置920。测试布置1400包括卡盘1450，其被配置为在测试时保持致动器布置920。测试布置1400还包括被配置为测试致动器布置920的探针1420或晶片探针。
180.测试包括将致动器布置920的第二层302附接到卡盘1450，其中致动器布置920包括第二层302的晶片和多个隔膜布置1310。
181.测试还包括将探针1420一个接一个地放置在隔膜布置1310上，并通过在致动器布置920或隔膜布置1310上施加测试电压来测试或探测致动器布置920。
182.隔膜布置1310通过在稍后将被切割的微型泵的不包括隔膜布置1310的外围区域处的绝缘间隙1480与相邻的隔膜布置1310绝缘。
183.侧壁绝缘或绝缘间隙1480可以被认为是本发明微型泵的基本特征。侧壁绝缘是两个电极表面之间的绝缘和/或围绕至少一个电极表面的边框，其通过蚀刻一个间距和随后的层转换(如氧化)和/或通过使用物理和/或化学工艺(例如pecvd、pvd)沉积绝缘层来产生。
184.致动器或隔膜布置1310的绝缘和分离具有加速生产方法的益处并且允许通过基于晶片级的测量进行测试。
185.静电微型泵不同于已知的微型泵，在已知的微型泵中忽略了与相邻隔膜布置1310的绝缘。在本实施例中，诸如微型泵100，实施了与相邻隔膜布置1310的绝缘。在制造用于导电液体的微型泵(诸如图2的微型泵200)时，还可以以稍微修改的形式实施与相邻隔膜布置1310的绝缘。
186.致动器布置920的上述制造产生了致动器布置920的所谓的短回路变体(short-loop variant)。可替代地，存在致动器布置920有的全回路变体。图15a-c中示出了制造全回路变体的一部分。
187.图15a示出了致动器布置920的示意性侧视图，其通过将第二层302的具有逐步高度剖面560和抗粘连凸块708的主表面附接到第一层301而形成。第二层302可以如图15a所示已经被切割或者通过减薄的边框区域准备用于切割，如图15b中所示。
188.图15b示出了致动器布置920的全回路变体的示意性侧视图，其中第一层301在整个区域中被减薄并且在逐步高度剖面560的区域1510处被进一步减薄。第一层301可以包括导电材料。如果不施加电压并且隔膜是压力平衡的，那么蚀刻1510限定泵室高度。为了使微型泵获得良好的压缩比，并使泵具有气泡耐受性，这个泵室高度应当选择得非常小。这个高度(1510的深度)可以被认为是静电微型泵的重要设计参数。如果要求高气泡耐受性或高气
体背压，那么这个泵室高度可以选择得非常小(取决于蚀刻技术，例如，干蚀刻或koh蚀刻)，例如50纳米到1μm。
189.小泵室高度的缺点是泵室中的流体阻力较高。为此，如果要求较高的流体(液体或气体)流速，那么可以选择更大的泵室高度1510，超过1μm至多20μm，这取决于致动器冲程。泵室越高，流体阻力越小，泵速越高，但压缩比和气泡耐受性也在下降。
190.图15c示出了微型泵1570的示意性侧视图。生产类似于图2的微型泵200的微型泵1570是通过将阀布置1550附接到致动器布置920而获得的。微型泵1570的泵室1580由双蚀刻区域1510和由阀布置1550形成。
191.可以识别短回路与全回路变体之间的一些差异。在短回路变体中，由层301制成的隔膜被切割和/或与相邻隔膜绝缘，而在全回路变体中，定子结构被切割和/或与相邻定子结构绝缘。
192.另外，在全回路变体中，泵室1580被蚀刻到第一层301中，而在短回路变体中则不需要这样做，泵室由隔膜布置和阀布置形成。
193.而且，在全回路变体中，致动器布置920附接(例如，键合)到阀布置，而在短回路变体中则不需要这样做。
194.图16示出了静电驱动的微型泵设计的模拟的、可能的实施方式的表格。示例性模拟实施方式并不限制本发明，静电驱动的微型泵可以在很大的芯片尺寸范围内生产。图16示出了针对不同芯片尺寸的模拟结果，从10
×
10mm2降低到1
×
1mm2。泵室以及制动室是圆形的，与方形芯片边缘的最小距离为100μm。虽然结合二次方芯片尺寸解释了结果，但是芯片的边可以具有不同的纵横比，例如不同于1:1，例如矩形形式。可替代地，可以实施任何其它形状，诸如椭圆形或圆形或与其不同的形状。
195.下面列出了静电驱动的微型泵设计的重要属性的可能值：
196.属性范围起点范围终点冲程体积1nl149nl致动器的阻断压力28kpa53kpa开关/瞬时电压133v184v相对于大气的最大空气背压8.2kpa13kpa相对于大气的最小空气背压-34.9kpa-4.7kpa隔膜的厚度0.000005m0.00012m芯片尺寸0.001m0.01m到芯片边界的距离0.0001m0.001m膈膜的半径0.0001m0.0049m板刚度0.0000018nm0.025nm泵室高度0.0000001m0.000001m
197.为了计算阀单元的死体积，使用成熟的压电微型泵(经过koh蚀刻)的数据。对于3
×
3mm2以下的芯片尺寸，假定使用具有较低死体积的干蚀刻阀。
198.在这个模拟中，设计的直径和厚度经过调整以具有大约30-53kpa的阻断压力。已将开关电压和阻断压力与参考设计进行了比较，参考设计已在fraunhofer emft实现。对于所有设计，致动间隙室高都选择为5μm，其可以变化为更高或更低的值，伴随着更高和更低
的开关电压和冲程体积。
199.模拟的一个相关结果是泵可以根据压缩比和制动隔膜的刚度实现的最小和最大气压。该理论适用于静电驱动泵的该模拟。考虑到阀的毛细管压力，可以估计耐气泡微型泵的空气背压应接近10kpa或超过10kpa。由此，根据上表，可以得出结论，利用静电致动，可以实现芯片尺寸小至1.5
×
1.5mm2的微型泵，其不仅可以泵送液体和气体，而且还可以耐受气泡。利用优化的致动室(尚未在模拟中实施)，这个目标也可以通过1
×
1mm2设计来实现。
200.芯片尺寸为2
×
2mm2或更小的静电微型泵是朝着低成本、可持续和一次性设备迈出的一大步，其例如可以用在一次性芯片实验室系统或智能电子药丸中：
201.·
低成本：在8英寸的晶片上可以实现近8000个2
×
2mm2泵的设备，因此，非常大批量的制造成本，诸如每周启动》100个晶片，降至10美分以下，这有利地是便宜的。此外，由于未使用压电元件，这个泵不再需要拾取与贴装技术以及胶合。
202.·
可持续的一次性设备：仅由硅层堆叠组成的硅微型泵完全不含有毒材料，如压电pzt中的铅。硅和氧化硅由与沙子相同的材料组成，上面有一层非常薄的金属层，如金或铝。因此，把这个设备扔掉是没有问题的，它是完整可持续的组件。
203.图17示出了微型泵1700的示意性侧视图，类似于图2的微型泵200，具有通风口1720。微型泵包括阀布置1760、隔膜布置1710和定子结构1740。阀布置1760的主表面附接到隔膜布置1710的主表面，形成泵室1730。与泵室相对的隔膜布置的主表面附接到定子结构1740。定子结构包括高度逐步变化的剖面1780和通风口1720。隔膜布置1710在阀布置1760和定子结构1740之间。隔膜布置与定子结构1740形成电极室1750。定子结构1740的通风口1720将电极室1750与环境连接。
204.通风口1720的优点在于电极室1750中的压力总是环境压力，即，隔膜的零位置不依赖于例如大气压力的波动。
205.通风口的另一个优点是平隔膜。如果泵室的高度为零，那么将实现最大的压缩比。但是，需要一定的泵室高度，否则泵室内的流动阻力会非常高。
206.通风口的优点包括以下事实：隔膜始终处于压力平衡状态，大气压力不会改变隔膜的零位置，平隔膜可以实现高压缩比，并且在隔膜移动时不会在电极室中生成背压。
207.但是，通风口的使用在制造、加工、锯切期间和/或通过操作可能导致污染的风险。污染可以以颗粒传输或波纹管颗粒传输的形式出现，或者以冷凝水分的形式出现。图18示出了为避免通风口的缺点而采取的设计措施。图18中应用的设计措施可以单独应用或组合应用。
208.图18a示出了具有毛细管止动件的通风口的示意性顶视图。电极室1810通过通风口1890连接到环境，其中通风口包括与缓冲体积1860结合的毛细管止动件1820。
209.图18b和18c的措施增加了通风口1890的流动阻力，使得在隔膜移动的冲程时间内没有明显的气流可以流过通风口并且没有颗粒可以被吸入。冲程时间可能在1ms到100ms之间，这取决于泵的设计和介质的粘度。
210.图18b示出了横截面减小的通风口的示意性顶视图。流动阻力主要通过减小通风口的横截面1840来增加。
211.图18c示出了具有弯道的通风口的示意性顶视图。流动阻力通过增加通风距离、应用弯道1830来增加。
212.图18d示出了具有过滤器的通风口1890的示意性顶视图。在通风口1890中提供侧向过滤器1850，这可能是最简单的防颗粒措施之一。
213.图18e示出了具有缓冲体积1860的通风口或电极室1810的示意性顶视图，缓冲体积1860比冲程体积大得多，例如具有四个缓冲体积。在这种情况下，与环境没有直接的体积交换，环境空气仅进入缓冲体积1860。缓冲体积可以通过在对电极或非移动电极结构中的深度蚀刻来实现。
214.还可以组合图18中讨论的结构。这些结构也可以通过干蚀刻面向垂直于微型泵的层的通风口来侧向实现。垂直于层的孔可以用箔覆盖，而侧向孔可能会被锯切、切割工艺污染。
215.例如，直径为1μm的通风口，中间有毛细管止动件加宽，会大大降低污染的风险。同时，例如，直径为1μm的窄孔防止超过1μm的颗粒进入电极室。将给出通风口的主要优点，诸如平隔膜、高压缩比和补偿大气压力选择。
216.另外，如果泵送频率足够高，那么可以使用在快速移动期间在电极室中建立的超压来增加微型泵的背压能力。
217.图19示出了与图2的微型泵类似的微型泵的示意性侧视图，其中预偏转的隔膜1910处于非致动状态，如图19a中所示，以及处于致动状态，如图19b中所示。
218.在图19a中，预偏转的隔膜1910和定子结构1920之间的距离在电极室的中心区域中是最小的。在一些情况下，预偏转的隔膜1910可以接触定子结构1920。定子结构1920不包括通风口。隔膜1910的偏转是由于晶片键合期间的负压而提供的。晶片键合期间的真空连同隔膜1910的板刚度可以被用于以既定的方式调整隔膜1910的偏转率。重要的是要注意，通过巧妙选择电极室压力与大气压力之间的压力比以及隔膜的表面和厚度的选择，可以发生预偏转，但接触仅通过致动隔膜来建立。在这种情况下，与预偏转的隔膜在非致动状态下接触定子结构的微型泵相比，操作电压略高，但同时冲程体积略高。
219.这带来了不需要通风口的益处，这意味着没有颗粒污染的风险，无论是在加工期间(诸如抛光浆料)，还是在切割期间(诸如锯屑通过毛细管力渗透)，或者在空气中操作期间，不存在波纹管颗粒吸入和排出空气，还是在特殊操作条件下(诸如水滴渗入通风口)。
220.在晶片键合期间通过负压预偏转隔膜1910的进一步益处是弯曲的弯折线。弯曲的弯折线与截面平坦的定子结构形成几何楔1940，从而创建游动楔(wandering wedge)效应并降低驱动电压。
221.如图19b中所示，当致动微型泵时，隔膜1910可以被吸向定子结构1920，从而导致隔膜布置1910在中心区域接触定子结构1920并且楔1940从中心区域向外围区域偏离。
222.在规划或设计预偏转的隔膜时必须考虑到，隔膜通过使用真空或低压被预偏转，隔膜被偏转地非常强烈，以至于它离开了板理论的hook区域，并且变得更硬。
223.键合工艺期间的真空或压力可以被用于调整预偏转，并且必要时可以通过隔膜的板刚度调整电极室的形状。
224.图20示出了zengerle等人的已知静电微型泵2000，其具有例如厚度为例如40μm和边长例如为5mm的硅隔膜。对于不可压缩的流体(诸如水)，这种微型泵能够克服例如大约30kpa的背压，相当于0.3巴。如果其隔膜通过真空预加载，那么电极室将需要相当多的空间。
225.zengerle泵在隔膜层和定子结构之间具有例如5μm的距离。zengerle泵的缺点是它包括低排量，诸如仅40nl，它需要高电压，例如至少200伏，以及需要使用通风室。
226.游动楔的优点包括由于楔区域中的高场强而需要低电压，以及通过转动游动楔可以实现的高体积冲程。缺点是，与非预偏转的隔膜相比，它的冲程体积更小。
227.在晶片键合期间调整负压使得能够实现其它形式的结构。预偏转的隔膜的零距离可以通过负压和电极室的设计来调整。因此，可以实现游动楔泵和普通泵的混合形式。
228.已知的微型泵2000在生产和功能方面与本技术不同。
229.首先，已知微型泵的层3的隔膜以及绝缘层8的偏转发生在电极或致动器室10中，该偏转朝向层2并且远离泵室90。
230.另一个区别在于，已知微型泵的电绝缘由绝缘层8和电击穿保护间隔件9提供。
231.另一个区别在于，已知微型泵的侧壁绝缘是不切实际的，并且只有在切割之后一个一个地处理各个件才有可能，因为锯切和/或切割会破坏任何侧壁绝缘。
232.此外，为了降低供电电压不调整电极结构之间的距离。并且已知的微型泵也缺少抗粘连凸块。
233.实施方式替代方案
234.虽然已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是很明显，这些方面也代表对应方法的描述，其中方框或设备与方法步骤或方法步骤的特征对应。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也代表对应装置的对应方框或项目或特征的描述。

技术特征：
1.一种静电微型泵，包括隔膜布置，包括隔膜和第一电极结构，阀布置，包括入口止回阀和出口止回阀，其中所述隔膜布置和所述阀布置至少部分地封住泵室，第二电极结构，被布置成与所述第一电极结构形成静电驱动器，所述静电驱动器被配置为使所述隔膜偏转；以及至少一个抗粘连凸块，布置在所述第一电极结构和所述第二电极结构之间；其中，在所述微型泵的非活动状态下，所述第一电极结构和所述第二电极结构之间的间距从所述泵室的外围区域开始朝着所述泵室的中心区域变化，所述外围区域封住所述中心区域。2.根据权利要求1所述的静电微型泵，其中所述第一电极结构和/或所述第二电极结构包括高度变化的剖面，所述第一电极结构和所述第二电极结构之间的所述间距从所述泵室的外围区域朝着所述泵室的中心区域增加。3.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述至少一个抗粘连凸块布置在与所述高度变化的剖面相对的所述第二电极结构处。4.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述第一电极结构和所述第二电极结构之间的所述间距从所述泵室的外围区域朝着所述泵室的中心区域以多个步长逐步增加。5.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中，在所述外围区域中，所述第一电极结构和所述第二电极结构通过绝缘层彼此绝缘，所述绝缘层提供与所述第一电极结构和所述第二电极结构的机械接触并防止所述第一电极结构和所述第二电极结构之间发生电击穿。6.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述静电驱动器被配置为基于所述第一电极结构和第二电极结构之间的电压来改变所述泵室中的压力和/或所述泵室的体积。7.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述阀布置是层布置，其中所述入口止回阀和所述出口止回阀相对于所述阀布置被布置在平面内，其中所述入口止回阀和所述出口止回阀均包括入口隧道、阀瓣、出口隧道和死体积，被配置为引导流体流动通过所述入口隧道，通过处于打开状态下的所述阀瓣，并通过所述出口隧道，以及其中所述流体流动通过所述入口止回阀的方向与所述流体流动通过所述出口止回阀的方向相反。8.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述隔膜布置包括作为所述第一电极结构的至少一部分的导电层。9.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述阀布置包括半导体层的堆叠并且包括480μm-540μm的垂直于所述阀布置的主表面的厚度，和/或其中所述隔膜布置包括半导体层，所述半导体层具有10μm-120μm的垂直于所述阀布置
的主表面的厚度。10.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述阀布置包括作为所述第二电极结构的至少一部分的导电层。11.根据权利要求10所述的静电微型泵，其中，当被致动时，所述静电驱动器被配置为使所述隔膜朝着所述阀布置偏转，以压缩所述泵室，从而导致流体从所述泵室流动通过所述出口止回阀。12.根据权利要求11所述的静电微型泵，其中从所述泵室流动通过所述出口止回阀的流体是非导电流体。13.根据权利要求10至12之一所述的静电微型泵，其中所述阀布置包括硅层的堆叠，并且包括480μm-540μm的垂直于所述阀布置的主表面的厚度，和/或其中所述隔膜布置包括硅层，所述硅层具有10μm-120μm的垂直于所述阀布置的主表面的厚度。14.根据权利要求1至9之一所述的静电微型泵，包括定子结构，所述隔膜布置被布置在所述阀结构和所述定子结构之间，使得所述定子结构和所述隔膜布置封住电极室，所述定子结构包括作为所述第二电极结构的至少一部分的导电层。15.根据权利要求14所述的静电微型泵，其中，当被致动时，所述静电驱动器被配置为使所述隔膜布置朝着所述定子结构偏转以使所述泵室膨胀，从而导致流体通过所述入口止回阀流入所述泵室。16.根据权利要求15所述的静电微型泵，其中通过所述入口止回阀流入所述泵室的流体是导电流体或非导电流体。17.根据权利要求14至16之一所述的静电微型泵，其中所述定子结构包括硅层并且包括450μm的垂直于所述阀布置的主表面的厚度。18.根据权利要求14至17之一所述的静电微型泵，其中，与所述隔膜布置相比，所述定子结构包括更高的刚度。19.根据权利要求14至18之一所述的静电微型泵，其中所述静电微型泵包括通风口，所述通风口被配置为将所述电极室与所述静电微型泵的环境连接。20.根据权利要求19所述的静电微型泵，其中所述通风口被配置为防止污染所述电极室。21.根据权利要求19或20所述的静电微型泵，其中所述通风口包括过滤器和/或缓冲体积，所述过滤器和/或所述缓冲体积被配置为防止污染所述电极室。22.根据权利要求14至21之一所述的静电微型泵，其中所述隔膜布置的所述隔膜被预偏转。23.根据权利要求22所述的静电微型泵，其中所述隔膜布置在所述静电驱动器未被致动的状态下在接触区域中被预偏转以与所述定子结构形成机械接触；其中所述静电驱动器适于在致动状态下增加所述接触区域。24.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述第一电极结构的所述导电层和所述第二电极结构的所述导电层由导电材料或具有金属材料的导电率的高度掺杂半导体材料制成。25.一种生产静电微型泵的方法，包括以下步骤：
布置隔膜布置，以包括隔膜和第一电极结构，以及布置阀布置，以包括入口止回阀和出口止回阀，使得所述隔膜布置和所述阀布置至少部分地封住泵室，布置第二电极结构，以与所述第一电极结构形成静电驱动器以偏转所述隔膜；在所述第一电极结构和所述第二电极结构之间布置至少一个抗粘连凸块；使得在所述微型泵的非活动状态下，所述第一电极结构和所述第二电极结构之间的间距从所述泵室的外围区域开始朝着所述泵室的中心区域变化，所述外围区域封住所述中心区域。26.根据权利要求25所述的生产静电微型泵的方法，其中布置所述隔膜布置包括以下步骤：提供具有高度变化的剖面的第一层和在所述第一层的第一主表面上的绝缘沟，在所述第一层的第一主表面上形成绝缘层，以便布置所述隔膜布置。27.根据权利要求26所述的生产静电微型泵的方法，其中布置所述隔膜布置还包括以下步骤：提供第二层；将所述第一层的所述第一主表面附接到所述第二层的第一主表面以在所述第一层的所述高度变化的剖面和所述第二层的所述第一主表面之间形成电极室，使所述第二层的与所述第一主表面平行的第二主表面至少在所述电极室的相对侧的区域处减薄，以便布置所述隔膜布置。28.根据权利要求27所述的生产静电微型泵的方法，其中在所述第一层的第一主表面上生成高度变化的剖面的步骤包括在所述第一层中布置至少一个通风口的进一步的步骤，使得所述通风口将所述电极室与所述静电微型泵的环境连接。29.根据权利要求28所述的生产静电微型泵的方法，其中在所述第一层中布置至少一个通风口的步骤包括在所述通风口中布置至少一个过滤器和/或缓冲体积的进一步的步骤。30.根据权利要求25至29之一所述的生产静电微型泵的方法，其中布置所述阀布置包括通过以下步骤生产入口止回阀和出口止回阀：形成第一基板，所述第一基板在所述第一基板的第一主表面上具有第一沟结构，形成第二基板，所述第二基板在所述第二基板的第一主表面上具有第二沟结构，通过将所述第一基板的具有沟结构的所述第一主表面附接到所述第二基板的具有沟结构的所述第一主表面来提供基板的堆叠，使得所述第一沟结构和/或所述第二沟结构在所述基板的堆叠中产生至少一个腔体，减薄所述基板的堆叠的所述第一主表面和/或所述第二主表面，在所述至少一个腔体处使所述基板的堆叠从与所述第一主表面平行的第一和第二主表面凹进，以便在其间形成入口隧道和出口隧道以及阀瓣，其被配置为引导流体流动通过所述入口隧道、通过处于打开状态下的所述阀瓣，并通过所述出口隧道，其中流体流动通过所述入口止回阀的方向与流体流动通过所述出口止回阀的方向相反，以产生所述阀布置。31.根据权利要求25至30之一所述的生产静电微型泵的方法，其中布置第二电极结构
包括执行晶片键合方法或执行沉积方法以沉积电极材料或绝缘体材料。32.根据权利要求25至31之一所述的生产静电微型泵的方法，其中布置至少一个抗粘连凸块包括在所述泵室的区域处在以下表面上形成所述至少一个抗粘连凸块：在所述第一层的与所述第一主表面平行的第二主表面上，和/或在所述第二层的与所述第一主表面平行的第一主表面和/或第二主表面上，和/或在所述阀布置的与所述隔膜布置相对的主表面上。33.根据权利要求25至32所述的生产静电微型泵的方法，包括以下步骤：将所述隔膜布置附接到所述阀布置，使得所述隔膜布置和所述阀布置形成泵室，在所述绝缘沟处切割所述第一层，在所述隔膜布置的所述第一层的所述第二主表面上以及以下表面上沉积导电层：在所述隔膜布置的所述第二层的所述第一主表面上，或在所述阀布置的所述表面上，切割所述第二层，以便生产微型泵。34.根据权利要求33所述的生产静电微型泵的方法，包括在所述第一层的所述第二主表面上沉积导电层之前减薄所述隔膜布置的所述第一层的所述第二主表面的步骤。35.根据权利要求27至34所述的生产微型泵的方法，其中将所述隔膜布置附接到所述阀布置的步骤包括以下步骤：预偏转由所述第二层布置的所述隔膜布置，以及将所述隔膜布置附接到所述阀布置。36.根据权利要求27至35所述的生产微型泵的方法，其中将所述隔膜布置附接到所述阀布置的步骤包括以下步骤：预偏转由所述第二层布置的所述隔膜布置，使得其在所述静电驱动器未被致动的状态下在接触区域中与所述第一层形成机械接触；其中所述静电驱动器适于在致动状态下增加所述接触区域，以及将所述隔膜布置附接到所述阀布置。37.根据权利要求25至36所述的生产微型泵的方法，其中所述第一电极结构的所述导电层和所述第二电极结构的所述导电层由导电材料或具有金属材料的导电率的高度掺杂半导体材料制成。

技术总结
根据本发明的一个实施例是包括隔膜布置的静电微型泵，隔膜布置包括隔膜和第一电极结构。静电微型泵还包括阀布置，阀布置包括入口止回阀和出口止回阀，其中隔膜布置和阀布置至少部分地封住泵室。静电微型泵还包括第二电极结构，其被布置成与第一电极结构形成静电驱动器。静电驱动器被配置为使隔膜偏转。静电微型泵还包括布置在第一电极结构和第二电极结构之间的至少一个抗粘连凸块，其中在微型泵的非活动状态下，第一电极结构和第二电极结构之间的间距从泵室的外围区域开始朝着泵室的中心区域变化，其中外围区域封住中心区域。其中外围区域封住中心区域。其中外围区域封住中心区域。


技术研发人员：亨利
受保护的技术使用者：弗劳恩霍夫应用研究促进协会
技术研发日：2020.09.09
技术公布日：2023/8/24