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Title:
ACTUATOR COMPONENT FOR A MICROSPRAY AND ITS PRODUCTION PROCESS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/012340
Kind Code:
A1
Abstract:
An actuator component for a piezoelectric microspray comprising a membrane (12) formed in a semiconductor chip (10), a piezoelectric actuator fitted on the surface of the membrane (12), which sets the membrane vibrating, and a tube (14) attached to the semiconductor chip which conducts the liquid to be atomized from an inlet port to the piezoelectric actuator on the opposite surface of the membrane. A microspray using this sort of actuator component is comprises a holding device to which this sort of actuator component is fixed, so that the inlet is directly connected to the fluid by means of a liquid-conducting tube; exceptionally, the pipe is connected to the liquid duct and piezoelectric actuator beside surface of the membrane by means of the holding device. Said holding device has an opening around the surface zone of the membrane opposite the actuator for the discharge of atomized liquid.

Inventors:
SCHNUPP RALF (DE)
THOMAS JOCHEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2000/007798
Publication Date:
February 22, 2001
Filing Date:
August 10, 2000
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER GES FORSCHUNG (DE)
SCHNUPP RALF (DE)
THOMAS JOCHEN (DE)
International Classes:
B05B17/06; B81B3/00; B06B1/06; H01L41/09; H01L41/187; H01L41/22; (IPC1-7): B05B17/06
Foreign References:
EP0465229A11992-01-08
DE19802368C11999-08-05
DE69404004T21998-02-12
Other References:
PANEVA R ET AL: "Micromechanical ultrasonic liquid nebulizer", SENSORS AND ACTUATORS A,CH,ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, vol. 62, no. 1-3, 1 July 1997 (1997-07-01), pages 765 - 767, XP004119723, ISSN: 0924-4247
Attorney, Agent or Firm:
Schoppe, Fritz (Zimmermann & Stöckeler Postfach 71 08 67 München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Piezoelektrisch betriebener KapillarwellentheorieMi krozerstäuber mit folgenden Merkmalen : einer in einem Halbleitersubstrat (10) gebildeten Mem bran (12 ; 36) ; einem auf einer Oberfläche der Membran (12 ; 36) ange ordneten piezoelektrischen Aktor (52), um die Membran (12 ; 36) in Schwingungen zu versetzen ; und einer in dem Halbleitersubstrat (10) gebildeten Kanal einrichtung (14 ; 34) zum Zuführen einer zu zerstäuben den Flüssigkeit von einem. Einlaßende zu der dem piezo elektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden Oberfläche der Membran (12 ; 36), wobei durch die Schwingungen der Membran (12 ; 36) die zu der Oberfläche der Membran zu geführte Flüssigkeit auf der Grundlage der Kapillar wellentheorie zerstäubt und durch einen gegenüber der Membran angeordneten Auslaß (30) ausgestossen wird.
2. Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 1, bei dem die Membran (12 ; 36) und die Kanaleinrichtung (14 ; 34) durch Aus nehmungen in einer ersten Hauptoberfläche des Halblei tersubstrats (10) gebildet sind.
3. Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem in der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (10) ferner eine einen Flüssigkeitseinlaß definierende Ausnehmung (16), die mit dem Einlaßende der Kanalein richtung (14 ; 34) fluidmäßig verbunden ist, gebildet ist.
4. Mikrozerstäuber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kanaleinrichtung (14 ; 34) ausgebildet ist, um eine gleichmäßige Benetzung der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden Oberfläche der Membran (12 ; 36) zu bewirken.
5. Mikrozerstäuber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kanaleinrichtung (14) ausgebildet ist, um eine Zuführung einer zu zerstäubenden Flüssigkeit zu der Membran (12) aus verschiedenen Richtungen zu bewirken.
6. Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 5, bei dem die Membran (12) eine rechteckige Form aufweist, wobei die Kanal einrichtung (14) Kanalabschnitte (14a, 14b, 14c, 14d) aufweist, um die zu zerstäubende Flüssigkeit über die vier Ecken der Membran (12) zuzuführen.
7. Mikrozerstäuber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der piezoelektrische Aktor (52) die Membran (12 ; 36) in Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 2 und 2,5 MHz versetzt, derart, daß die durch die Zerstäu bung erzeugten Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 1 und 5 pm besitzen.
8. Mikrozerstäuber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Kanaleinrichtung (14 ; 34) als definierte Fluß restriktion ausgebildet ist.
9. Mikrozerstäuber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, der eine Halterung (20) aufweist, an der das Halbleiter substrat derart fixiert ist, daß das Einlaßende fluidmäßig mit einer Flüssigkeitszufüh rungsleitung (29) verbunden ist ; die Kanaleinrichtung (14 ; 34) mit Ausnahme einer fluidmäßigen Verbindung derselben mit der Flüssig keitszuführungsleitung (29) und der dem piezoelektri schen Aktor (52) gegenüberliegenden Oberfläche der Membran (12) durch die Halterung (20) abgedichtet ist ; und im Bereich der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegen überliegenden Oberfläche der Membran (12) eine Öffnung (30) der Halterung (20) zum Ausstoßen der zerstäubten Flüssigkeit vorgesehen ist.
10. Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 9, bei dem die Öffnung (30) mit einem Gitter versehen ist.
11. Mikrozerstäuber gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die Flüssigkeitszuführungsleitung derart angeordnet ist, daß dieselbe die Halterung (20) in einer zur Ausstoß richtung der zerstäubten Flüssigkeit entgegengesetzten Richtung verläßt.
12. Mikrozerstäuber gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Halterung (20) eine als Flüssigkeitseinlaß (32) dienende Ausnehmung aufweist.
13. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrisch betrie benen KapillarwellentheorieMikrozerstäubers zum Zer stäuben einer auf eine Oberfläche einer Membran zuge führten Flüssigkeit auf der Grundlage der Kapillarwel lentheorie, mit folgenden Schritten : a) Erzeugen eines Aktorbauglieds durch folgende Teil schritte : al) Aufbringen eines piezoelektrischen Aktors (52) auf eine Hauptoberfläche eines Halbleitersub strats (10,40) ; a2) Strukturieren der dem piezoelektrischen Aktor (52) gegenüberliegenden Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, um die Membran (12), auf der der piezoelektrische Aktor (52) angeordnet ist, und eine Kanaleinrichtung (14 ; 34), die sich von einem Einlaßende zu der Membran (12 ; 36) erstreckt, in derselben festzulegen ; und c) Fixieren des Aktorbauglieds an einer Halterung (30), so daß die dem piezoelektrischen Aktor ge genüberliegende Oberfläche der Membran einer Öff nung in der Halterung zugewandt ist.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem im Schritt a2) ferner ein am Einlaßende der Kanaleinrichtung (14 ; 34) mit derselben fluidmäßig verbundener Flüssigkeitsein laß (16) in der dem piezoelektrischen Aktor (52) ge genüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats (10,40) strukturiert wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem die Mem bran (12) durch ein KOHÄtzen gebildet wird, wobei die Kanaleinrichtung bis zu den durch das KOHÄtzen gebil deten schrägen Seitenwänden (18) der die Membran (12) festlegenden Ausnehmung erzeugt wird.
Description:
Aktorbauglied für einen Mikrozerstäuber und Verfahren zu seiner Herstellung Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Aktorbauglied für einen Mikrozerstäuber und insbesondere auf ein Aktorbau- glied für einen piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäuber, auf Verfahren zur Herstellung eines solchen Aktorbauglieds sowie auf einen Mikrozerstäuber unter Verwendung eines sol- chen Aktorbauglieds.

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

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

Treibgas in Haarsprays, erzeugt.

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

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

Alle bestehenden mechanischen wie auch piezoelektrischen Sy- steme besitzen einen Hauptnachteil dahingehend, daß die Tröpfchendurchmesser in einem breiten Bereich variieren.

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

Alle bekannten mechanischen Zerstäuber haben zudem den Nach- teil, daß Düsen verwendet werden müssen, die sehr anfällig gegen eine Verstopfung sind. Aus diesem Grund sind mechani- sche Systeme stets ein Wegwerfprodukt. Die Verwendung von Düsen erhöht überdies die Wahrscheinlichkeit einer Fehlbe- dienung, was insbesondere aus medizinischer Sicht in akuten Situationen ungünstig bzw. sogar gefährlich ist. In"Flüssigkeitszerstäubung durch Ultraschall", in Elektro- nik 10/1979, Seiten 83 bis 86, ist der Ultraschall zerstäu- bereffekt beschrieben, der nach dem Prinzip der Kapillarwel- lentheorie funktioniert.

Die DE 19802368 Cl beschreibt eine Mikrodosiervorrichtung, bei der eine Druckkammer einseitig durch eine Membran be- grenzt ist, wobei in der Druckkammer eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung vorgesehen sind. Durch eine geeignete An- steuerung der Membran wird bewirkt, daß für einen Dosiervor- gang durch die Einlaßöffnung Fluid angesaugt und durch die Auslaßöffnung ausgestossen wird. Diese Mikrodosiervorrich- tung arbeitet auf der Grundlage eines Verdrängungseffekts und nicht auf der Grundlage der Kapillarwellentheorie.

Aus der DE 69404004 T2 ist ein piezoelektrischer Vernebler bekannt, bei dem Flüssigkeit unter Verwendung eines weichen Organs mit kapillarer oder filzartiger Struktur, wie bei- spielsweise einem offenzelligen Schaumstoff, auf ein Zer- stäubungsgitter, das in Schwingungen versetzt wird, aufge- bracht wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mikrozerstäuber zu schaffen, der zum einen eine Massenferti- gung ermöglicht und zum anderen die Zerstäubung von Tröpf- chen, die einen definierten Durchmesser aufweisen, mit einem erhöhten Wirkungsgrad ermöglicht, und ein Verfahren zum Her- stellen eines solchen Mikrozerstäubers zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Mikrozerstäuber gemäß An- spruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrozer- stäubers nach Anspruch 13 gelöst.

Das bei dem erfindungsgemäßen Zerstäuber verwendete Aktor- bauglied nutzt das piezoelektrische Prinzip. Dabei wird eine vorzugsweise in Dünnfilmtechnologie hergestellte piezoelek- trische Schicht zur Auslenkung einer vorzugsweise in Sili- zium geätzten dünnen Membran verwendet, die dadurch in Schwingungen versetzt wird. In das Siliziumsubstrat, in dem die Membran gebildet ist, ist ferner eine Kanaleinrichtung gebildet, die zur Zuführung der zu zerstäubenden Flüssig- keit, um eine im wesentlichen gleichmäßige Benetzung der dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegenden Oberfläche der Membran zu bewirken, dient. Durch die Flüssigkeitszufuhr durch die erfindungsgemäß vorgesehene Kanaleinrichtung, der- art, daß die Membran im wesentlichen gleichmäßig benetzt wird, wird erfindungsgemäß verhindert, daß die Tröpfchen- durchmesser in einem breiten Bereich variieren. Das Aktor- bauglied des erfindungsgemäßen Zerstäubers ist vorzugsweise geeignet angepaßt, um bei einer Frequenz zwischen 2 und 2,5 MHz betrieben zu werden, und derart, daß die durch die Zer- stäubung erzeugten Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 1 und 5 Hm besitzen. Hierzu werden die geometrischen Abmessun- gen der Membran, die Flüssigkeitszufuhr sowie die verwendete Schwingungsfrequenz als Zerstäubungsparameter geeignet ange- paßt, um eine gewünschte Tröpfchengröße einzustellen.

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

Ein erfindungsgemäßer Mikrozerstäuber unter Verwendung eines derartigen Aktorbauglieds kann eine Halterung umfassen, an der das Aktorbauglied derart fixiert ist, daß das Einlaßende fluidmäßig mit einer Flüssigkeitszuführungsleitung verbunden ist, daß die Kanaleinrichtung mit Ausnahme einer fluidmäßi- gen Verbindung derselben mit einer Flüssigkeitszuführungs- leitung und der dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegen- den Oberfläche der Membran durch die Halterung abgedichtet ist, und daß im Bereich der dem piezoelektrischen Aktor ge- genüberliegenden Oberfläche der Membran eine Öffnung der Halterung zum Ausstoß der zerstäubten Flüssigkeit vorgesehen ist.

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

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrisch betriebenen Mikrozerstäu- bers, bei dem zunächst ein piezoelektrischer Aktor auf eine Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats aufgebracht wird, woraufhin die dem piezoelektrischen Aktor gegenüberliegende Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats strukturiert wird, um eine Membran, auf der der piezoelektrische Aktor angeord- net ist, und eine Kanaleinrichtung, die sich von einem Ein- laßende zu der Membran erstreckt, in derselben festzulegen.

Das Aktorbauglied wird an einer Halterung derart fixiert, daß die dem piezoelektrischen Aktro gegenüberliegende Ober- fläche der Membran einer Öffnung in der Halterung zugewandt ist.

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

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

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich- nungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. la) eine schematische perspektivische Darstellung ei- nes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Aktorbauglieds ; Fig. lb) eine schematische perspektivische Darstellung ei- ner Halterung eines erfindungsgemäßen Mikrozer- stäubers ; Fig. 2a) und 2b) schematische Darstellungen zur Erläuterung unterschiedlicher Ausführungsbeispiele von Kanal- einrichtungen erfindungsgemäßer Aktorbauglieder ; und Fig. 3a) bis 3e) schematische Schnittansichten zur Veran- schaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Aktorbauglieds.

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

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

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

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

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

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

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

In Fig. 2b) ist eine schematische Draufsicht einer Kanalein- richtung 34 gezeigt, wie sie für eine Membran 36 geringer Größe ausreichen kann, um noch eine gleichmäßige Benetzung derselben mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit zu bewirken.

Die Kanaleinrichtung 34 ist wiederum fluidmäßig mit einer Ausnehmung 16, die einen Medieneinlaß definiert, verbunden.

Die in Fig. 2b) dargestellte Anordnung eignet sich für die Zerstäubung von kleinen Fluidvolumen, während die in Fig.

2a) dargestellte Ausführungsform für die Zerstäubung von größeren Fluidvolumen geeignet ist.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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