Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrominiaturisierte elektrostatische Pumpe nach dem Oberbegriff des Patentan¬ spruchs 1.

Elektrostatische Pumpen, die ohne bewegte Teile arbeiten, sind beispielsweise aus der US-PS 46 34 057, aus der US-PS 33 98 685 sowie aus der US-PS 44 63 798 seit geraumer Zeit bekannt. Derartige elektrostatische Pumpen haben zumindest zwei im wesentlichen in Pumpströmungsrichtung voneinander beabstandete Elektroden, die von der zu pumpenden Flüssig¬ keit oder von dem zu pumpenden Gas umströmt werden. Die Elektroden sind mit einem Gleich- oder echselspannungs- potential beaufschlagbar, um einen zwischen den Elektroden durch die Flüssigkeit oder durch das Gas fließenden Ionen¬ strom zu injizieren. Bei den mittels einer elektrostatischen Pumpe pumpbaren Gasen oder Flüssigkeiten handelt es sich um Medien, die im wesentlichen nichtleitend sind und üblicher¬ weise einen Widerstandswert in der Größenordnung von 10 ⁷ bis 10 ¹⁰ Ohm cm aufweisen. Die von -- ner üblicherweise mit einer scharfen Spitze ausgeführten Elektrode in das Gas oder die Flüssigkeit injizierten Ionen durchlaufen das Gas oder die Flüssigkeit bei ihrer Bewegung zu der gegenüberliegenden Elektrode. Diese Relativbewegung der Ionen in der zu pumpen¬ den Flüssigkeit oder dem zu pumpenden Gas erzeugt die Pump¬ wirkung einer derartigen elektrostatischen Pumpe, die somit ohne bewegliche Teile auskomnmt.

Typische elektrostatische Pumpen nach dem Stand der Technik, wie er beispielsweise durch die US-PS 44 63 798 oder durch

die US-PS 46 34 057 gebildet wird, bestehen im wesentlichen aus einem rohrförmigen Gehäusekörper, der von einem Fluid oder Gas in Axialrichtung durchströmbar ist und eine erste, zentrisch angeordnete kegelspitzförmige Elektrode aufweist, die in einem üblicherweise über ein Gewinde einstellbaren Axialabstand von der Gegenelektrode angeordnet ist, die im wesentlichen als Düse mit einer kegelstumpfförmigen Ausneh¬ mung gebildet wird. Typischerweise besteht der Gehäusekörper der bekannten elektrostatischen Pumpen aus Kunststoff. Die aus Metall bestehenden Elektroden sind üblicherweise in den Gehäusekörper eingeschraubt. Die bekannte elektrostatische Pumpe mit der beschriebenen Struktur erfordert nicht nur vergleichsweise hohe Betriebsspannungen in der Größenordnung von 15 kV bis 40 kV, sondern auch eine aufwendige Justage zur Einstellung eines geeigneten Elektrodenabstandes. Ferner verbietet die Struktur der bekannten elektrostatischen Pumpe deren weitergehende Miniaturisierung, so daß auch die Anwen¬ dungsbereiche der bekannten elektrostatischen Pumpe einge¬ schränkt sind _*

Die US-PS 32 67 859 offenbart eine elektrostatische Pumpe mit einem zylindrischen Kuststoffgehäuse, in dem zwei von¬ einander beabstandete Metallelektrodenplatten angeordnet sind, deren Eledtroden eine im Querschnitt stegförmige oder schneidenförmige Gestalt haben. Für eine Mikrominiaturisie- rung ist diese Pumpe nicht geeignet.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrostatische Pumpe der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, daß sie wei¬ ter miniaturisiert werden kann.

Dieser Aufgabe wird bei einer mikrominiaturisierten elektro¬ statischen Pumpe nach dem Oberbegriff. des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs l an¬ gegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die im

Stand der Technik offenbarte komplizierte Struktur einer elektrostatischen Pumpe, die einer weiteren Miniaturisierung entgegensteht, ebenso wie das Elektrodenjustageproble da¬ durch vermieden werden können, daß die elektrostatische Pum¬ pe aus zwei in Pumpströmungsrichtung übereinander angeordne¬ ten Halbleiterkörpern zusammengesetzt ist, die jeweils der¬ art strukturiert sind, daß die Elektroden einen einstückigen Bestandteil der Halbleiterkörper bilden. Eine nach dieser Lehre der Erfindung aufgebaute mikrominiaturisierte elek¬ trostatische Pumpe kann mit den hochgenauen photolithogra- fischen Ätzverfahren, wie sie in der Halbleitertechnologie bekannt sind, gefertigt werden. Bei der erfindungsgemäßen mikrominiaturisierten elektrostatischen Pumpe ist aufgrund der einstückigen Ausgestaltung der Elektroden mit den Halb¬ leiterkörpern einer sehr weitgehende Miniaturisierung mög¬ lich, so daß die erfindungsgemäße mikrominiaturisierte elek¬ trostatische Pumpe auch neuen Anwendungsgebieten zugänglich ist, wie beispielsweise der Integration in mikromechanischen Baugruppen. Als Anwendungsbeispiel einer derartigen Integra¬ tion in mikromechanischen Baugruppen sei auf den Anwendungs¬ fall der erfindungsgemäßen mikrominiaturisierten elektrosta¬ tischen Pumpe als Wärmepumpe zur Kühlung elektronischer Bauelemente hingewiesen. Da Halbleiter mit photolithografi- schen Verfahren mit Genauigkeiten unterhalb des Mikrometer¬ bereiches stukturierbar sind, ermöglicht diese erfindungsge¬ mäße Ausgestaltung der mikrominiaturisierten elektrostati¬ schen Pumpe eine entsprechend hochgenaue gegenseitige Fest¬ legung der beiden Elektroden zueinander, so daß diese auch bei sehr niedrigen Betriebsspannungen den dann notwendigen äußerst geringen gegenseitigen Abstand zuverlässig einhalten können.

Weiterbildungen der erfindungsgemäßen mikrominiaturisierten elektrostatischen Pumpe bilden den Gegenstand der Unteran¬ sprüche.

Bevorzugte Aufuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden

Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung, teilweise in Schnittdarstellung, eines Halbleiterkörpers, der einen Bestandteil einer Ausführungsform der erfin¬ dungsgemäßen Pumpe bildet; und

Fig. 2 bis 7 Querschnittsdarstellungen verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrostatischen Pumpe.

Fig. 1 zeigt einen der beiden Halbleiterkörper, die eine er¬ findungsgemäße elektrostatische Pumpe in einer ersten Aus¬ führungsform umfaßt. Dieser Halbleiterkörper ist ein ein¬ kristalliner Siliziumhalbleiterkörper, der in seiner Gesamt¬ heit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Dieser Silizi- u halbleiterkorper 10 ist bevorzugt n ⁺ -leitend, jedoch kann dieser 10 auch dotierte epitaktische oder diffundierte Be¬ reiche aufweisen. Bei der gezeigten Ausführungsform hat der einkristalline Siliziumhalbleiterkörper 10 eine (100)-Kri¬ stallorientierung. Auf der Vorderseite des Siliziumhalblei¬ terkörpers 10 ist eine Isolationsschicht 11 angeordnet, die zumindest in einem durchströmten Bereich eine vorderseitige Ausnehmung 11a hat. Der einkristalline Siliziumhalbleiter¬ körper hat ferner eine sich gleichfalls zumindest über den durchströmten Bereich erstreckende rückseitige Ausnehmung 11b. Der einkristalline Siliziumkörper hat im Bereich zwi¬ schen der vorderseitigen Ausnehmung 11a und der rückseitigen Ausnehmung 11b eine gitterformige Elektrode 13, die eine Mehrzahl von prismenformigen Gruben 12 hat, welche den durchströmten Bereich festlegen. Die gitterformige Elektrode 13 ist ein einstückiger Bestandteil des Siliziumhalbleiter¬ körpers 10.

Die insoweit beschriebene Struktur des Silizumhalbleiter- körpers 10 wird mit an sich bekannten Herstellungstechniken

der Halbleitertechnologie im Photo-Ätz-Verfahren erzeugt. Hierzu wird zunächst auf dem noch unstrukturierten einkri¬ stallinen Siliziumhalbleiterkörper 10 die elektrische Isola¬ tionsschicht 11 abgeschieden. Hierfür wird bei der bevorzug¬ ten Ausführungsform durch Kathodenzerstäubung eine Pyrex- Glas-Schicht auf einer termisch erzeugten Siliziumdioxyd¬ schicht abgeschieden. Die Ausnehmung 11a wird vorderseitig mit einem geeigneten Verfahren geöffnet. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird gleichzeitig ein Bereich 24 vorderseitig geöffnet, der später mit einem Oh 'sehen Kontakt zu dem Siliziumhalbleiterkörper 21 versehen wird.

Anschließend wird ganzflächig auf den insoweit strukturier¬ ten Siliziumhalbleiterkörper eine gegen alkalische Ätzlösun¬ gen beständige Schicht, die beispielsweise aus Siliziumni¬ trid bestehen kann, auf die Vorder- und Rückseite des Sili¬ ziumhalbleiterkörpers 10 aufgebracht. Diese dient als Ätz¬ stopmaske und wird innerhalb des zuvor geöffneten Bereiches der vorderseitigen Ausnehmung 11a mit üblichen Verfahren photolithografisch strukturiert. Anschließend erfolgt ein anisotroper Ätzprozeß, bei dem die prismenformigen Gruben 12 erzeugt werden. Falls gitterformige Elektrodenstrukturen 13 mit steileren Kanten gewünscht sind, können auch isotrope Ätzverfahren eingesetzt werden. Im Falle des bevorzugt ver¬ wendeten anisotropen Ätzverfahrens zum Erzeugen der in Fig.l gezeigten Struktur der gitterför igen Elektrode 13 wird als Ätzlösung eine 30%ige KOH-Lösung eingesetzt. Die Tiefe der prismenförmige Gruben 12 beträgt je nach gewünschter Dicke der später erzeugten gitterförmigen Elektrode 13 zwischen 1 um und 200 um. Nunmehr wird auf die Struktur vorderseitig ganzflächig eine weitere Ätzstopschicht aufgebracht, die wiederum aus Siliziumnitrid bestehen kann. Anschließend wird nach entsprechender photolithografischer Behandlung im anisotropen Ätzverfahren die rückseitige Ausnehmung 11b soweit geätzt, daß die unteren Bereiche der prismenformigen Gruben 12 erreicht werden, wodurch sich die gitterformige Elektrodenstruktur der Elektrode 13 ergibt. Nunmehr werden Reste der Ätzstopschicht (nicht dargestellt) entfernt, eine

sich auf dem Silizium gebildete dünne Oxydschicht entfernt, woraufhin die gitterformige Elektrode 13 mittels üblicher Verfahren mit einer Metallisierung versehen wird.

Je nach gewünschtem Anwendungszweck der erfindungsgemäßen elektrostatischen Pumpe liegt die Größe der Ausnehmung 11a, 11b und damit die Größe des Gitterbereiches 13 zwischen etwa 0,1 mm x 0,1 mm und etwa 10 mm x 10 mm. Typische Größen der durch die prismenformigen Gruben 12 definierten Öffnungen des Gitters liegen zwischen 2 um x 2 um und 1 mm x 1 mm.

In Abweichung zu der in Fig. 1 gezeigten gitterförmigen Struktur der Elektrode 13 kann diese streifenförmig oder stegförmig ausgestaltet sein.

In weiterer Abweichung zu der in Fig. 1 gezeigten Ausfüh¬ rungsform können an den Kreuzungspunkten der gitterförmigen Elektrode 13 durch Abscheideverfahren Kegelspitzen (nicht dargestellt) angeordnet sein, wodurch eine Konzentration der Ioneninjektion auf bestimmte Punktbereiche gegenüber der Ionenstromverteilung erreicht wird, die mit der gitterförmi¬ gen Elektrode 13 erzeugbar ist.

Fig. 2 zeigt, ^eine Querschnittsdarstellung der erfindungs¬ gemäßen mikrominiaturisierten elektrostatsichen Pumpe in einer weiteren Ausführungsform.

Diese umfasst zwei Halbleiterkörper 20, 21, die in Pumpströ¬ mungsrichtung übereinander angeordnet sind und jeweils git¬ terformige oder stegförmige Elektroden 26, 27 umfassen, die einander im wesentlichen in Pumpströmungsrichtung gegenüber¬ liegen. Bei dieser Ausführungsform, die im wesentlichen durch Zusammensetzen zweier Halbleiterkörper der in Fig. 1 gezeigten Art entsteht, liegen die Elektroden 26, 27 der Halbleiterkörper 20, 21 jeweils im wesentlichen auf Höhe der Vorderseiten der Halbleiterkörper 20, 21 und sind von der Rückseite der Halbleiterkörper 20, 21 jeweils beabstandet. Die beiden Halbleiterkörper 20, 21 werden vorzugsweise da-

durch miteinander verbunden, daß die Rückseite des oberen Halbleiterkörpers 21 mit der Pyrex-Glas-Schicht, die die Isolationsschicht 22 des unteren Halbleiterkörpers bildet, durch elektrostatisches Bonden verbunden wird. Alternativ können bei dieser Ausführungsform ebenso wie bei den nachfolgenden noch zu beschreibenden Ausführungsformen andere Verbindungsverfahren eingesetzt werden, wie bei¬ spielsweise Waferbonding oder Kleben. Bei dieser Ausfüh¬ rungsform gemäß Fig. 2 entspricht der Abstand der gitterför¬ migen oder stegformigen Elektroden 26, 27 im wesentlichen der Dicke des Ausgangsmateriales, d. h. des unbearbeiteten einkristallinen Siliziumhalbleiterkörpers.

In Abweichung zu der Ausführungsform gemäß Fig. 2 kann die gitterformige Elektrode 13 von der Vorderseite der Halblei¬ terkörper 20, 21 aus zurückgeätzt werden.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der erfindungs¬ gemäßen elektrostatischen Pumpe ist der obere Halbleiter¬ körper 21 im Bereich seiner Isolationsschicht 23 mit einem Abdeckkörper 28 verbunden, der eine oder eine Mehrzahl von Austrittsdüsen 29 beinhaltet.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der elektrostatischen Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich im wesentlichen dadurch von der Ausführungsform nach Fig. 2, daß die beiden Halbleiterkörper 30, 31 hier jeweils im Be¬ reich ihrer Isolationsschicht 32 vorderseitig miteinander verbunden sind. Hier sind die Elektroden 33, 34 gegenüber der Vorderseite der Halbleiterkörper 30, 31 zurückgeätzt, wodurch das Ausmaß des Zurückätzens neben der Dicke der Iso¬ lationsschicht 32 den gegenseitigen Abstand der beiden Elek¬ troden 33, 34 festlegt. Bei dieser Ausführungsform kann also der Gitterabstand zwischen den Elektroden 33, 34 bzw. der Stegabstand bei Wahl einer stegformigen Elektrode durch das Ausmaß des Zurückätzens gegenüber der Vorderseite und die Dicke der Isolationsschicht 32 eingestellt werden.

Die weitere Abwandlung der in Fig. 4 gezeigten elektrostati¬ schen Pumpe mit den beiden Halbleiterkörpern 40, 41, die im Bereich der vorderseitigen Isolationsschicht 42 miteinander verbunden sind, unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 3 nur dadurch, daß eine 43 der beiden Elektroden 43, 44 eine so schmale Stegbreite der Stegstruktur oder Git¬ terstruktur aufweist, daß aufgrund der seitlichen Unter¬ ätzung der Ätzstopschicht eine schneidenartige Elektrode 43 entsteht, die die Injektion von Ionen in das Gas bzw. die Flüssigkeit aufgrund der hohen Feldstärke an der Schneide besonders begünstigt.

Die in Fig. 5 gezeigte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrostatischen Pumpe unterscheidet sich von der Ausfüh¬ rungsform nach Fig. 4 im wesentlichen dadurch, daß zwischen den beiden Halbleiterkörpern 50, 52 mit den zugehörigen, ge¬ genüber der jeweiligen Vorderseite des Halbleiterkörpers zu¬ rückgesetzten streifenförmigen oder stegformigen Elektroden 53, 54 ein dritter Halbleiterkörper 51 mit einer Isolations¬ trennwand 55 vorgesehen ist, die lediglich im Bereich der einander gegenüberliegenden stegformigen Elektroden 53, 54 durch Durchströmungsausnehmungen 57 durchsetzt ist. Vorzugs¬ weise ist hier der erste Halbleiterkörper 50 vorderseitig im Bereich seiner Isolationsschicht 56 durch elektrostatisches Bonden mit der Rückseite des dritten Halbleiterkörpers 51 verbunden. Dieser ist im Bereich der Isolationsstrennwand 55 ebenfalls durch elektrostatisches Bonden mit der Vorderseite des zweiten Halbleiterkörpers 52 verbunden.

Eine stärker abgewandelte Ausführungsform der erfindungsge¬ mäßen mikrominiaturisierten elektrostatischen Pumpe wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert. Bei dieser Ausführungsform hat einer 61 der beiden Halbleiterkörper 60, 61 einen schneidenförmigen Abstandshalter 62, der mit einer Nut 62a des anderen Halbleiterkörpers 60 Eingriff nimmt. Ferner hat dieser Halbleiterkörper 61 einen schneidenartigen Injektor 63. Der andere Halbleiterkörper 60 weist im Bereich des schneidenartigen Injektors 63 des einen Halbleiterkör-

pers 61 eine im wesentlichen V-förmige Ausnehmung 64 auf, die einen derartigen Abstand der beiden Halbleiterkörper 60, 61 im Bereich des Injektors 63 einhält, daß ein verengter Durchströmungsspalt 64-65 definiert wird. Der andere Halb¬ leiterkörper 60 ist auf seiner dem einen Halbleiterkörper 61 zugewandten Seite mit einer Isolationsschicht 67 bedeckt, die sich nicht nur über die Nut 62a erstreckt, sondern auch über einen wesentlichen Teil der V-förmigen Ausnehmung 64 erstreckt, so daß die einander gegenüberliegenden Elektroden einerseits durch die Spitze des schneidenartigen Injektors 63 und andererseits durch die der Spitze benachbarten Rand¬ bereiche der Ausnehmung 64 des anderen Halbleiterkörpers 60 erzeugt werden.

Im Bereich des Durchströmungsspaltes zwischen dem Injektor 63 und der Ausnehmung 64 der beiden Halbleiterkörper 60, 61 ist eine nutförmige oder spaltförmige Eintrittsdüse 65 vor¬ gesehen. Mit Ausnahme des Eingriffsbereiches am Ort des Ab¬ standshalters 62 sind die beiden Halbleiterkörper 60, 61 durch einen Freiraum 66 voneinander beabstandet.

Die in Fig. 7 gezeigte letzte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 6 im wesentlichen dadurch, daß ein Isolierkörper 77 zwischen den beiden Halb¬ leiterkörpern 70, 71 angeordnet ist. Einer der beiden Halb¬ leiterkörper 71 nimmt mit seinem Abstandshalter 72 Eingriff mit einer Nut 72a des Isolierkörpers 77 und definiert durch diese Lagefixierung einen Freiraum 76 zwischen dem Isolier¬ körper 77 und diesem Halbleiterkörper 71. In Übereinstimmung mit dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel weist auch hier dieser Halbleiterkörper 71 einen schneideartigen Injek¬ tor 73 auf, der mit einer V-förmigen Ausnehmung 74a des Iso¬ lierkörpers 77 einen Durchströmungsspalt 74-75 bildet, wel¬ cher im Bereich einer nutför igen Eintrittsdüse 75 dieses Halbleiterkörpers 71 endet. Der andere Halbleiterkörper 70 weist überhalb der Ausnehmung 74a des Isolierkörpers 77 eine V-förmig Ausnehmung 74 auf, durch welche spitzwinklige Elek- trodenkantenbereiche 78 festgelegt werden, die die Gegen-

elektroden zum schneidenförmigen Injektor 73 bilden.

Zum Betrieb der elektrostatischen Pumpe werden die Halb¬ leiterkörper 20, 21; 30, 31; 40 41; 50, 51; 60, 61; 70, 71 jeweils über Ohm'sche Kontakte (vergleiche Bezugszeichen 24, 25 gemäß Fig. 2) mit einer Gleichspannungsguelle verbunden, so daß eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden entsteht, die zur Injektion von Ionen in das zu pumpende Gas bzw. in die zu pumpende Flüssigkeit aus¬ reicht.

Selbstverständlich können zur Erhöhung der Fördermenge der erfindungsgemäßen Pumpe mehrere Pumpenkörper der in den Fig. 2 bis 7 gezeigten Art parallel geschaltet werden. Ferner können auch mehrere derartige Pumpen hintereinander geschal¬ tet werden, wenn dies aus Gründen des erhöhten Druckes wün¬ schenswert ist. Ebenfalls können an Stelle einer Reihen¬ schaltung von Pumpen mehr als zwei Halbleiterkörper überein¬ ander angeordnet werden.

An Stelle des bevorzugt verwendeten Halbleitermateriales Silizium kommen auch sämtliche andere Halbleitermaterialien als Ausgangsmaterial in Betracht.

Jedes der gezeigten Ausführungsbeispiele kann mit zusätzli¬ chen Eintritts- und Austrittsdüsen versehen werden, auch wenn dies nur bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 2, 6 und 7 gezeigt ist.

Letztlich kann die erfindungsgemäße Pumpe auch zum Erzeugen eines statischen Druckes eingesetzt werden, so daß der ver¬ wendete Begriff "Pumpe" auch Anwendungsfälle umfassen soll, bei denen ein Fluid ohne Fluidströmung lediglich mit einem Druck beaufschlagt werden soll. Ferner soll unter dem Begiff "Pumpe" im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch jegliche Einrichtung zur Beschleunigung oder Abbremsung einer Fluid- stömung verstanden werden.