Mikromembranpumpe

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrominiaturisier¬ te, elektrostatisch betriebene Mikromembranpumpe gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Es sind bereits eine Reihe von mikrominiaturisierten Mem¬ branpumpen bekannt. In der Fachveröffentlichung F.CM. van de Pol, H.T.G. van Lintel, M. Elwsenspoek and J.H.J. Fluit- man "A Thermo-Pneumatic Micropump Based on Micro-Engineering Techniques", Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) S. 198- 202 ist eine thermopneumatisch angetriebene Mikromembran¬ pumpe beschrieben. Die Realisierung eines solchen Antriebes ist sehr aufwendig.

Piezoelektrisch angetriebene Membranpumpen sind in den Fach¬ veröffentlichungen F.CM. van de Pol, H.T.G. van Lintel, S. Bouwstra, "A Piezoelektric Micropump Based on Micromachining of Silicon", Sensors and Actuators, 19 (1988) S.153-167 und M.Esashi, S.Shoji and A.Nakano,"Normally close Microvalve and Micropump ¹¹ , Sensors and Actuators,20 (1989), 163-169 nä¬ her erläutert.

Die Realisierung dieser Antriebe enthält Herstellungsschrit¬ te, die nicht zu den Standardtechnologieschritten der Halb¬ leitertechnologie gehören, wie beispielsweise das Aufkleben eines Piezofil s oder eines Piezostacks, so daß die Herstel¬ lungskosten hoch sind.

Aus der EP-Al-03 92 978 ist bereits eine mikrominiaturisier- bare Membranpumpe bekannt, die eine äußere Membrane hat, welche durch ein Piezoelement deformierbar ist. Eine innere

Pumpkammer der Mikropumpe ist durch eine Trennwand unter¬ teilt, innerhalb der Ventilstrukturen angeordnet sind. Die Ventilstrukturen sind Bestandteil von Anschlägen, die die Bewegung der Membran gegenüber der Trennwand bzw. gegenüber dem restlichen Pumpenkörper zur Festlegung einer pro Pump¬ zyklus konstanten Pumpmenge begrenzen.

Aus der WO 90/15929 ist eine weitere Mikropumpe bekannt, die der soeben gewürdigten Mikropumpe von ihrer Struktur her weitgehend entspricht.

Aus der DE 40 06 152 AI ist eine Mikropumpe mit einem ersten Pumpenkörper und einem einen Membranbereich aufweisenden zweiten Pumpenkörper, die jeweils elektrisch leitfähige Elektrodenbereiche aufweisen, welche mit einer Spannungs¬ quelle verbindbar und elektrisch voneinander isoliert sind, wobei die beiden Pumpenkörper einen an den Membranbereich angrenzenden Pumpenraum miteinander festlegen, bekannt. Die Pumpleistung dieser Mikropumpe vermag nicht in allen Fällen zu befriedigen. Die Beaufschlagung der zu pumpenden Flüssig¬ keit mit einem elektrischen Feld ist in manchen Fällen uner¬ wünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikrominiatu¬ risierte Mikromembranpumpe der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben Gattung zu schaffen, bei der die zu pumpende Flüssigkeit nicht oder nur in geringem Maße mit einem elek¬ trischen Feld beaufschlagt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer mikrominiaturisierten Mikromem¬ branpumpe der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art durch die im Kennzeichen dieses Anspruches genannten Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine mikrominiaturisierte Mikromembranpumpe der im Oberbegriff des Anspruches 2 angegeben Gattung zu schaffen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist und eine hohe

Pumpleistung hat.

Diese Aufgabe wird bei einer mikrominiaturisierten Mikromem¬ branpumpe der im Oberbegriff des Anspruches 2 angegebenen Art durch die im Kennzeichen dieses Anspruches genannten Merkmale gelöst.

Im Rahmen der Erfindung wird ein neuartiges elektrostati¬ sches Antriebsprinzip für mikrominiaturisierte Membranpumpen angegeben, das sich durch einen äußerst einfachen Aufbau auszeichnet und sich mit den gängigen Methoden der Halblei¬ tertechnologie realisieren läßt.

Bei der erfindungsgemäßen Mikromembranpumpe wird vermieden, daß das zu pumpende Medium der Wirkung des zum Antrieb notwendigen elektrostatischen Feld ausgesetzt ist, so daß die erfindungsgemäße Mikromembranpumpe auch für den Einsatz zur Dosierung von Medikamenten verwendet werden kann, die unter Einwirkung von elektrostatischen Feldern dissoziieren.

Die Mikromembranpumpe ist dabei sowohl in der Lage, Flüs¬ sigkeiten und/oder Gase zu transportieren, als auch bei verschwindendem Durchfluß einen hydrostatischen Druck zu erzeugen.

Die Mikromembranpumpe nach der Erfindung läßt sich, was einen großen Vorteil darstellt, mit den bekannten Methoden der Halbleitertechnik herstellen. Ein weiterer Vorteil bei der Mikromembranpumpe nach der Erfindung besteht darin, daß sie zur Förderung von Fluiden beliebiger Leitfähigkeit eingesetzt werden kann.

Typische Einsatzgebiete der Mikromembranpumpe nach der Er¬ findung sind zum Beispiel das genaue Dosieren von Flüssig¬ keiten im Mikroliter- bzw. Sub- Mikroliter-Bereich in der Medizin oder auf technischen Gebieten, wie zum Beispiel im Maschinenbau.

Nach einem ersten Erfindungsaspekt umfaßt die Mikromembran¬ pumpe einen Hohlraum, der durch die beiden Pumpenkörper definiert wird und an den Membranbereich angrenzt, welcher mit einem von dem zu pumpenden Fluid räumlich getrennten Fluidmedium gefüllt ist. Vorzugsweise weist der Hohlraum zu¬ mindest eine Öffnung auf, durch die dieses Medium austreten kann. Nach einem zweiten Erfindungsaspekt umfaßt die Mikro¬ membranpumpe einen Hohlraum, der durch die beiden Pumpenkör¬ per definiert wird und an den Membranbereich angrenzt, wel¬ cher mit einem von dem zu pumpenden Fluid räumlich getrenn¬ ten Fluidmedium gefüllt ist, welches eine relative Dielek¬ trizitätskonstante hat, die größer als 1 ist. Vorzugsweise weist der Hohlraum zumindest eine Öffnung auf, durch die dieses Medium austreten kann. Das Medium, welches auch als Verstärkungsflüssigkeit oder Verstärkungsgas bezeichnet werden kann, hat vorzugsweise eine möglichst hohe relative .Dielektrizitätskonstante, um hierdurch eine möglichst große Kraft herbeizuführen, die durch Anlegen einer Spannung an die beiden Pumpenkörper auf den Membranbereich wirkt.

Das Fluid kann bei der Gehäusung der Mikromembranpumpe ein¬ geschlossen werden und kommt somit nicht zwangsläufig in Kontakt mit der Umgebung. Bei dem Einschluß des Fluids in dem Gehäuse ist zu beachten, daß bei Verwendung einer Flüs¬ sigkeit diese aufgrund ihrer verschwindenden Kompressibili¬ tät nicht den ganzen Hohlraum in der Gehäusung ausfüllen darf, da sonst ein Entweichen der Flüssigkeit aus dem Zwi¬ schenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpenkörper (Membranbereich/Gegenelektrodenkörper) nicht mehr möglich ist und sich die Membran aufgrund des von der Flüssigkeit aufgebauten Gegendrucks nicht mehr bewegen würde. In Abwei¬ chung von der soeben beschriebenen Ausführungsform, bei der der erfindungsgemäßen Mikromembranpumpe nicht vollständig durch die Verstärkungsflüssigkeit gefüllt ist, kommen auch Ausführungsformen in Betracht, bei denen der Hohlraum voll¬ ständig mit der Verstärkungsflüssigkeit gefüllt ist, wobei jedoch in diesem Fall die Öffnung des Hohlraumes mit einer

äußerst flexiblen weiteren Membran, die beispielsweise durch eine Gummihaut gebildet sein kann, gegenüber der Umgebungs- athmosphäre abgeschlossen ist. Ebenfalls kann die Pumpe mit einem Verstärkungsgas mit einer Dielektrizitätskonstante, die größer als 1 ist, betrieben werden.

Eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen in dem Gegenelektro¬ denkörper sorgen dafür, daß bei Verwendung einer Flüssigkeit zur Verstärkung diese ohne großen Widerstand in den und aus dem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpen¬ körper (Membranbereich/Gegenelektrodenkörper) strömen kann. Eine erhöhte Pumpfrequenz der erfindungsgemäßen elektro¬ statischen Mikromembranpumpe kann dadurch herbeigeführt werden, daß das Abfließen der Verstärkungsflüssigkeit durch KanalStrukturen in der Membran oder den der Membran gegen¬ überliegenden Pumpenkörper in Richtung der Durchtrittsöff¬ nung erleichtert wird.

Der physikalische Effekt, daß Dielektrika mit großer relati¬ ver Dielektrizitätskonstanten in einem Kondensator die Di¬ elektrika mit kleinerer Dielektrizitätskonstanten verdrän¬ gen, sorgt dafür, daß die Flüssigkeit von selbst den Zwi¬ schenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpenkörper (Membran/Gegenelektrode) auffüllt, sofern nur eine der oben erwähnten Durchtrittsöffnungen in Kontakt mit der Flüssig¬ keitsfüllung ist. Dieser Füllvorgang kann durch eine geeig¬ nete Oberflächenbeschichtung des ersten und des zweiten Pum¬ penkörpers zumindest in den mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Teilen des Membranbereiches und des dritten Pum¬ penkörpers als Gegenelektrode noch zusätzlich erleichtert werden.

Der zusätzliche Aufwand beim Einsatz zusätzlichen Fluids in dem Hohlraum im Zusammenhang mit der dazu erforderlichen Ge¬ häusetechnik ist also relativ gering.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes er¬ geben sich aus den Unteransprüchen.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Aus¬ führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nä¬ her erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips einer elektrostatischen Mikro¬ membranpumpe nach der Erfindung;

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer elektrostatisch be¬ triebenen Mikromembranpumpe nach der Erfindung;

Fig. 3a eine Schnittdarstellung eines aus zwei Teilpumpen¬ körpern, die mit Ventilen ausgebildet sind, zusam¬ mengesetzten dritten Pumpenkörpers;

Fig. 3b Eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausfüh¬ rungsform zu der Pumpenkörperstruktur gemäß Fig. 3a;

Fig. 4 eine andere Ausgestaltung eines ersten Pumpenkör¬ pers;

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform einer elektrostatischen Mikromem¬ branpumpe nach der Erfindung;

Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrostatischen Mikromem¬ branpumpe nach der Erfindung;

Fig. 7 eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig 1; und

Fig. 8 eine graphische Darstellung des Zusammenhanges zwi¬ schen Durchflußmenge und Druckdifferenz für die vewendeten Ventile bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3b.

Die Fig. 1 zeigt eine allgemein mit 1 bezeichnete Teilein¬ heit einer mikrominiaturisierten Membranpumpe mit elektro¬ statischem Antrieb nach der Erfindung. Ein erster, als Gegenelektrode dienender Pumpenkörper 2 ist oberhalb eines zweiten Pumpenkörpers 3 angeordnet und fest mit diesem ver¬ bunden. Beide Pumpenkörper 2 und 3 bestehen bevorzugt aus Halbleitermaterialien von unterschiedlichen Ladungsträger¬ typen. So kann der erste Pumpenkörper 2 zum Beispiel aus Silizium vom p-Typ bestehen, wobei der zweite Pumpenkörper 3 dann aus Silizium vom n-Typ hergestellt ist.

Der zweite Pumpenkörper 3 ist auf der zu dem ersten Pumpen¬ körper 2 weisenden Oberfläche mit einer Dielektrikumschicht überzogen.

Der zweite Pumpenkörper 3 weist an seiner von dem ersten Pumpenkörper 2 fortweisenden Seite eine pyramidenstumpfför- ige Ausnehmung 7 auf, durch die ein dünner, elastischer Membranbereich 6 mit geringer Dickenabmessung geschaffen wird. Die Ausnehmung 7 kann durch fotolithographisches Fest¬ legen einer rückseitigen Ätzöffnung und anschließendes an¬ isotropes Ätzen erzeugt werden.

Der erste Pumpenkörper 2 weist zwei sich in Richtung seiner Dickenabmessung erstreckende und hindurchgehende Durch¬ trittsöffnungen 4 und 5 auf. Diese beiden Durchtrittsöffnun¬ gen 4 verjüngen sich in Richtung zu dem zweiten Pumpenkörper 3.

Der erste und der zweite Pumpenkörper 2 und 3 sind in ihrem Randbereich über eine Verbindungsschicht 9 unter Bildung ei¬ nes Raumes 10 dichtend miteinander verbunden. Die Verbin¬ dungsschicht 9 kann zum Beispiel aus Pyrex-Glas bestehen. Die Verbindung kann durch Anodic-Bonding oder durch Kleben erfolgen. Der Abstand dl zwischen den beiden zueinander wei¬ senden Oberflächen des ersten und des zweiten Pumpenkörpers

2 und 3 sollte ungefähr im Bereich von 1 bis 20 Mikrometer liegen. Der Raum 10 zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpenkörper 2 und 3 wird mit einem flüssigen Medium mit einer geeignet hohen Dielektrizitätskonstanten soweit ge¬ füllt, daß sich die Flüssigkeit bis in die Durchtrittsöff¬ nungen 4 und 5 oder über diese hinaus erstreckt.

Obgleich hier nur für den zweiten Pumpenkörper 3 angegeben, könnte auch der erste Pumpenkörper 2 oder es könnten auch beide Pumpenkörper 2 und 3 mit einer passivierenden Dielek¬ trikumsschicht 8 mit einer Gesamtdicke d2 und der relativen Dielektrizitätskonstante e ₂ überzogen sein, beispielsweise um elektrische Durchbrüche zu verhindern. Das Dielektrikum kann ferner auch die Funktion erfüllen, die Oberflächenspan¬ nung der beiden Pumpenkörper 2 und 3 an den einander zuge¬ wandten Oberflächen für eine bestimmte Flüssigkeit günstig zu gestalten.

An seiner Oberfläche ist der erste Pumpenkörper 2 mit einem Ohm'sehen Kontakt 11 und der dritte Pumpenkörper 3 mit einem Ohm/sehen Kontakt 11' versehen. Diese beiden Kontakte 11 und 11 ^r werden mit den Anschlußklemmen einer Spannungsquelle U verbunden.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung U zwischen dem Pumpenkörper 3, der den Membranbereich 6 aufweist, und dem ersten Pumpenkörper 2, der als Gegenelektrode dient, werden auf diesen Ladungen erzeugt, die sich gegenseitig anziehen. Die Polarität der Spannung ist dabei bevorzugt so, daß auf dem p-Typ-Halbleiter positive und auf dem n-Typ-Halbleiter negative Ladungen erzeugt werden. Die Größe der so erzeugten Flächenladungsdichte auf dem ersten Pumpenkörper 2 und auf dem zweiten Pumpenkörper 3 mit seinem Membranbereich 6 ist durch die Kapazität pro Fläche der gesamten Teileinheit 1 gegeben und führt über die Anziehungskraft zwischen den La¬ dungen zu einem elektrostatisch erzeugten Druck p _el auf den Membranbereich 6 des zweiten Pumpenkörpers 3. Es gilt:

^e o_ ι U ² e ₂ d. p _el = • [ ] ² ( i )

e _t ist dabei die relative Dielektrizitätskonstante des Me¬ diums im Zwischenraum zwischen dem Membranbereich 6 des zweiten Pumpenkörpers 3 und dem ersten Pumpenkörper 2 und e ₂ die Dielektrizitätskonstante einer möglichen Passivierungs- schicht 8.

Aus dieser Gleichung (1) läßt sich ableiten, daß sich der elektrostatisch erzeugte Druck auf den Membranbereich 6 durch die geeignete Wahl eines Mediums mit großer relativer Dielektrizitätskonstante e ₁ und hoher elektrischer Durch- bruchfeidstärke entscheidend verstärken läßt, (mit Methanol beispielsweise um den Faktor e, *-*=• 32) . Das im allgemeinen flüssige Medium im Bereich zwischen Membranbereich 6 und zweiten Pumpenkörper 3 ist im allgemeinen von dem zu pumpen¬ den Medium verschieden und muß vor allem noch eine weitere Bedingung hinsichtlich seiner Leitfähigkeit erfüllen. Ein zu geringer spezifischer Widerstand des Mediums führt zu einem raschen Abbau des zur Druckerzeugung benutzten elek¬ trostatischen Feldes zwischen Membranbereich und erstem Pumpenkörper als Gegenelektrode innerhalb der charakteri¬ stischen Zeit T, mit

T = e ₀ (e, + e ₂ ) ( 2 ) ^d 2

Die in dem ersten Pumpenkörper 2 ausgebildeten Durchtritts¬ öffnungen 4 und 5 sorgen dafür, daß die Flüssigkeit aus dem Raum zwischen dem Membranbereich 6 des zweiten Pumpenkörpers 3 und dem ersten Pumpenkörper 2 ungehindert wegströmen kann und somit auf den Membranbereich 6 keinen Gegendruck ausübt, der eine Bewegung des Membranbereiches 6 aufgrund des elek¬ trostatisch erzeugten Druckes verhindern würde.

Weiter erkennt man aus Gleichung ( l ) , daß die Dicke d ₂ einer möglichen Passivierungsschicht 8 eine bestimmte Größe nicht überschreiten sollte (e*ιd ₂ < e ₂ d ₁ ) .

Typische Größen von auf den Membranbereich 6 erzeugbaren Drücken liegen im Fall von Methanol als verstärkendem Medium (e.,=32) bei einem Abstand von d.,=5 um und einer Betriebs¬ spannung U= 50 V für e.*d ₂ « e-d.* bei etwa 10000 Pa, was einem hydrostatischen Druck von etwa 1 m Wassersäule entspricht und damit größer ist als bei Membranen, die bisher piezo¬ elektrisch oder thermopneumatisch angetrieben wurden. Durch eine weitere Erhöhung der Betriebsspannung U und der Wahl eines anderen verstärkenden Mediums lassen sich auch noch höhere Drücke auf die Membran erzeugen. Ein derartiger Net¬ todruck auf eine etwa 25 μm dicke Siliciummembran mit den Seitenabmessungen von 3 mm x 3 mm führt zu einer maximalen Membranauslenkung von etwa 5 μm, was über den gesamten Mem¬ branbereich einer Volumenverdrängung von etwa 0.02 μl ent¬ spricht.

Der elektrostatisch auf den Membranbereich erzeugte Druck wird durch deren Verformung praktisch in der Membran gespei¬ chert und führt nach Abschalten der Spannung U dazu, daß sich die Membran wieder in ihre Ausgangslage zurückstellt.

Durch Änderung der Membrandicke und deren Seitenabmessungen lassen sich auch im Bezug auf eine bestimmte Betriebsspan¬ nung andere Schlagvolumina erzeugen.

Durch das Anlegen einer periodischen elektrischen Spannung (vorzugsweise in der Form von Rechteckpulsen) an den ersten Pumpenkörper 2 als Gegenelektrode und den zweiten Pumpenkör¬ per 3 mit seinem Membranbereich 6, deren maximale Frequenz durch die später beschriebene Durchlaßcharakteristik der Ventile an der Membranpumpe bestimmt ist, erreicht man also eine periodische Verdrängung eines bestimmten Schlagvolu- mens, was das Hauptmerkmal einer Membranpumpe darstellt.

Von großem Vorteil bei der Dosierung von kleinen Flüssig¬ keitsmengen ist ein Schlagvolumen der Pumpe, das möglichst nicht oder nur sehr wenig von dem für die Flüssigkeit zu überwindenden Gegendruck abhängt. Die nachfolgend erläuter¬ ten Eigenschaften der erfindungsgemäßen elektrostatischen Membranpumpe bewirken auf eine sehr elegante Weise ein kon¬ stantes Schlagvolumen.

Der Membranantrieb der Pumpe gemäß Fig. 1 kann als Serien¬ schaltung von zwei oder mehreren Kapazitäten C,, C ₂ betrach¬ tet werden. Dies ist ersichtlich, wenn in man in Fig. 1 die Grenzfläche zwischen der Isolationsschicht 8 und dem mit der Flüssigkeit gefüllten Hohlraum 10 als fiktive Kondensator¬ platte betrachtet. Die Kapazität C ₂ wird dabei durch die Isolationsschicht 8, die Kapazität C- durch das flüssige Medium im Hohlraum 10 repräsentiert. Hierbei gilt folgende Gleichung:

C ₂ e ₂ • d,

^C 1 ^{+ C} 2 ^€ 1 ^*d 2 ^{+ e} 2' ^d 1

Für eine Bewegung der Membran zählt nur der Anteil U ₁ der von außen angelegten Spannung U ₀ , der an der Kapazität C* abfällt, was nach Gleichung (3) zu der Bedingung e.,d ₂ « e ₂ 'd ₁ führt (an der kleineren der beiden Kapazitäten fällt der größte Teil der Spannung U ₀ ab) . Nähert sich die Membran aber nun der Gegenelektrode, so wird dl kleiner und es gibt einen kritischen Abstand d.*, bei dem e.,d ₂ = e ₂ d ₁ gilt. Bei der weiteren Annäherung der Membran fällt nun der weitaus größte Teil der Spannung U ₀ an der Isolationsschicht 8 ab, und geht dabei als treibende Kraft für eine weitere Membranbewegung verloren.

Bei dieser Art von elektrostatischem Antrieb wird also die

Membran nur bis zu einem bestimmten, kritischen Abstand dl ausgelenkt, was einem definerten Schlagvolumen entspricht. Durch eine Anpassung der Dicke der Isolationsschicht 8 kann also bei genügend hohen Betriebsspannungen U ₀ bis zu einem bestimmten maximalen zu überwindenden Gegendruck p ein druckunabhängiges Schlagvolumen erreicht werden, was für die genaue Dosierung von Flüssigkeiten einen großen Vorteil darstellt.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine erste besonders einfache Ausführungsform einer elektrostatisch arbeitenden Membranpumpe nach der Erfindung. Diese Membranpumpe umfaßt die im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebene Teileinheit 1 mit ihrem ersten und zweiten Pumpenkörper 2 bzw. 3 und zusätzlich einen dritten Pumpen¬ körper 12, der mit dem zweiten Pumpenkörper 3 elektrisch leitend und abdichtend verbunden ist. Diese Verbindung kann zum Beispiel durch Löten oder eutektisches Bonden oder Kle¬ ben hergestellt sein. Der dritte Pumpenkörper 12 besteht be¬ vorzugt ebenfalls aus einem Halbleitermaterial vom gleichen Typ wie dasjenige des zweiten Pumpenkörpers 3, so zum Bei¬ spiel aus Silizium vom n-Typ.

Der erste und der dritte Pumpenkörper 2 und 12 besitzen je¬ weils auf ihrer Außenfläche einen Ohm'sehen Kontakt 13 bzw. 14, der jeweils mit einem Anschluß einer Spannungsquelle U verbunden ist.

Der dritte Pumpenkörper 12 weist zwei Durchtrittsöffnungen 15 und 16 auf, von denen die Durchtrittsöffnung 15 als ein Fluideinlaß und die Durchtrittsöffnung 16 als ein Fluidaus- laß dient. Beide Durchtrittsöffnungen 15 und 16 verjüngen sich in Strömungsrichtung des Fluids.

Auf der zu dem zweiten Pumpenkörper 3 weisenden Oberfläche des dritten Pumpenkörpers 12 ist ein Rückschlagventil vorge¬ sehen, welches durch die Durchtrittsöffnung 15 und die Klap¬ pe 17 gebildet ist. Auf der freien Oberfläche des dritten

Pumpenkörpers 12 ist ein weiteres Rückschlagventil vorgese¬ hen, das durch die Durchtrittsöffnung 16 und die Klappe 18 gebildet ist. Mit dem Ausdruck Rückschlagventil wird hier allgemein eine Einrichtung bezeichnet, die unterschiedliche Durchflußverhalten für unterschiedliche Richtungen ausge¬ zeichnet ist.

Der dritte Pumpenkörper 12 überdeckt die Ausnehmung 7 in dem zweiten Pumpenkörper unter Bildung eines Hohlraumes 19, der Pumpenkammer.

An der freien Oberfläche des dritten Pumpenkörpers 12 ist ein Schlauch 20 an der Durchtrittsöffnung 15 zum Zuführen eines Fluids und an der Durchtrittsöffnung 16 ein Schlauch 21 zum Abführen eines Fluids angebracht. Statt eines Schlau¬ ches könnte auch jeweils eine geeignete Fluidleitung ange¬ bracht sein.

Die im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebene periodische Auslenkung der Membran bzw. des Membranbereiches 6 führt zu einer periodischen Änderung des PumpkammerVolumens, das durch eine Flüssigkeitsströmung durch die Rückschlagventile 15, 16, 17, 18 jeweils ausgeglichen wird. Da die Rückschlag¬ ventile 15, 16, 17, 18 in Durchfluß- bzw. Sperrichtung je¬ weils eine unterschiedliche Durchflußcharakteristik be¬ sitzen, führt dies zu einer Pumpwirkung in eine definierte Richtung. So wird bei einem Fluidunterdruck in der Pumpkam¬ mer das Rückschlagventil 17 geöffnet und Fluid strömt in die Pumpkammer. Das Rückschlagventil 18 bleibt geschlossen. Bei einer anschließenden Verringerung des Pumpkammervolumens und einer dadurch bedingten Druckerhöhung wird das Rückschlag¬ ventil 18 geöffnet und das Rückschlagventil 17 geschlossen, so daß nun ein gewisses Fluidvolumen aus der Pumpkammer aus¬ strömt.

Gemäß einer einfachen Ausführungsform können die Rückschlag¬ ventile im dritten Pumpenkörper 12 durch Durchtrittsöffnun¬ gen gebildet werden, die durch eine membranartige dünne

Schicht überspannt werden, die ihrerseits Durchtrittsöffnun¬ gen aufweist, die von der Durchtrittsöffnung durch den Pum¬ penkörper-Chip beabstandet sind.

Eine derartige Struktur kann beispielsweise durch Sacrifi- cial-layer-Technologie hergestellt werden. Diese Rückschlag¬ ventile können entweder beide zusammen auf einem Pumpenkör¬ per-Chip realisiert werden, oder auf zwei separaten Pumpen¬ körper-Chips, die aufeinandergebondet werden. Die Membranen, die die Durchtrittsöffnungen überspannen, können auch durch Flächenausnehmungen relativ zur Oberfläche des dritten Pumpenkörpers 12 zurückgesetzt sein und so besser geschützt werden.

Eine andere Ausgestaltung der Rückschlagsventile im Rahmen der Erfindung ist in Fig. 3a dargestellt. Der dritte Pumpen¬ körper 12 der in Fig. 2 gezeigten Membranpumpe wird bei die¬ ser Ausgestaltung durch zwei identische Teilkörper 22a und 22b gebildet, die über eine dünne Verbindungsschicht 23 nur in ihrem Randbereich und Mittenbereich Kopf auf Kopf einan¬ der zugewandt verbunden sind. In dem von der Schicht 23 um¬ gebenen inneren Bereich sind die zueinander weisenden Ober¬ flächen der beiden Teilkörper 22a und 22b von einander beab¬ standet.

Die Verbindungsschicht 23 kann entfallen. In diesem Fall werden die Teilkörper 22a, 22b an ihren Stirnflächen mitein¬ ander verklebt.

Jeder der beiden Teilkörper 22a und 22b ist mit einer Durch¬ trittsöffnung 24a bzw. 24b versehen, die ähnlich wie die Durchtrittsöffnungen 15 und 16 des dritten Pumpenkörpers 12 ausgebildet sind. Ferner ist jeder der beiden Teilkörper 22a und 22b mit einer weiteren Durchtrittsöffnung 25a bzw. 25b versehen, die besonders ausgestaltet ist. Die weiteren Durchtrittsöffnungen 25a bzw. 25b sind in der gleichen Weise ausgebildet, so daß nur die Beschreibung einer der Durch- trittsöffnungen 25a erforderlich ist.

Die Durchtrittsöffnung 25a umfaßt eine pyramidenstumpfför- mige Ausnehmung 26 mit bevorzugt einem rechteckigen Quer¬ schnitt, die sich in Richtung zu der freien Oberfläche des Teilkörpers 22a verjüngt. Auf der von dem Teilkörper 22b fortweisenden Seite weist der Teilkörper 22a insgesamt vier dünne elastische Verbindungsstege 27 auf, von denen nur zwei im Schnitt dargestellt ist, welche einstückig mit dem Teil¬ körper 22a ausgebildet sind und sich in die Ausnehmung 26 erstrekken. Diese Verbindungsstege 27 haben eine Dicken¬ abmessung von etwa 0,5 - 30 μ . An den in die Ausnehmung 26 vorstehenden freien Randbereich eines jeden Verbindungsste¬ ges 27 schließt jeweils einstückig ein Lamellenabschnitt 28 an, der sich in Richtung zu dem Teilkörper 22b erstreckt. Mithin ergeben sich vier Lamellenabschnitte, die beiden im Schnitt dargestellten Lamellenabschnitte 28 und die beiden nicht gezeigten, die insgesamt so angeordnet sind, daß sie sich einander nähernd verlaufen, wobei ihre Stirnendflächen 29 in der Ebene der zu dem Teilkörper 22b weisenden Oberflä¬ che des Teilkörpers 22b zu liegen kommen.

Eine Druckdifferenz quer über die beiden Teilkörper 22a und 22b bewirkt wegen der dünnen Verbindungsstege 27 eine Aus¬ lenkung der Lamellenabschnitte 28 in einer zu der Hauptflä¬ che des Teilkörpers 22a bzw. 22b im wesentlichen senkrechten Richtung. Wenn die Lamellenabschnitte 28 einer der Durch¬ trittsöffnungen 25a oder 25a gegen die Oberfläche des ihren Stirnendflächen 28 gegenüberliegenden Teilkörpers 22a bzw. 22b gedrückt werden, so wird der Durchflußwiderstand erhöht oder der Durchfluß gegebenenfalls auch unterbrochen, während bei der anderen Durchtrittsöffnung 25b oder 25a ein Durch¬ fluß erfolgt.

Bei einer anderen Querschnittsform, zum Beispiel einer drei¬ eckigen ist eine entsprechende Anzahl von Verbindungsstegen und Lamellenbereichen vorgesehen.

Die elektrische Kontaktierung der gesamten Membranpumpe kann

generell durch Bonden oder die Gehäusung an der Oberseite des ersten Pumpenkörpers und - wegen der elektrisch leiten¬ den Verbindung von zweitem und drittem Pumpenkörper - an der Unterseite des dritten Pumpenkörpers erfolgen.

Die gesamte Innenseite der Pumpkammer 19 kann metallisiert und über die Kontaktierung am dritten Pumpenkörper geerdet sein. ^" Dies führt dazu, daß das zu pumpende Medium während des Durchganges durch die Pumpkammer 19 keinem elektrostati¬ schen Feld ausgesetzt ist. Dies kann bei medizinischen An¬ wendungen von Bedeutung sein.

Fig. 3b zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 3a. In den beiden Figuren sind übereinstimmende Teile mit übereinstimmenden Bezugszeichen bezeichnet, so daß deren nochmalige Erläuterung unterbleiben kann. Bei der Ausfüh¬ rungsform gemäß Fig. 3b entfallen die Verbindungsstege 27 und Lamellenabschnitte 28 der Ausführungsform gemäß Fig. 3a. Stattdessen sind Ventilklappen 28a, 28b jeweils einstückig mit den Teilkörpern 22a, 22b verbunden und auf den einander zugewandten Seiten dieser Teilkörper 22a, 22b angeordnet. Somit können die Teilkörper 22a, 22b zusammen mit den Ven¬ tilklappen 28a, 28b geätzt werden, wobei diese Ventilstruk- turen aus identischen Halbleiterchips bestehen können, die Kopf auf Kopf gebondet werden. Jeder Chip besitzt daher einen Bereich, in dem er zu der Klappe 28a, 28b mit einer typischen Klappendicke von 1 μm bis 20 μm dünn geätzt wird, und einem Bereich, dem die Öffnung 24a, 24b durchgeätzt ist. Nach dem Bonden der beiden Chips ist jeweils eine Klappe des einen Chips über einer Öffnung des anderen Chips angeordnet. Typische laterale Abmessungen der Klappen 28a, 28b liegen bei l mal 1 mm. Eine typische Öffnungsgröße auf der kleine¬ ren Seite liegt bei 400 μm mal 400 μm.

Die beiden Klappen 28a, 28b sind sehr elastisch, so daß sie je nach der Richtung des auf sie wirkenden Drucks einmal auf die Öffnung 24a, 24b gedrückt werden und einmal von dieser weggedrückt werden.

In der Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Durchflu߬ menge der Pumpenkörper-Ventilstruktur gemäß Fig. 3b in Ab¬ hängigkeit von der Druckdifferenz wiedergegeben. Man er¬ kennt, daß sich die Ventilstruktur gemäß Fig. 3b durch ein sehr hohes Vorwärts- zu Rückwärts-Verhältnis auszeichnet. Dieses Charakteristikum der Ventilstruktur ist besonders deutlich bei der mit einem anderen Maßstab gezeigten Durch¬ fluß-Druckdifferenz-Abhängigkeit für kleine Durchflußmengen, die in Fig. 8 eingeschoben ist.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, die der in Fig. 1 gezeigten Darstellung ähnlich ist. Gleichbedeutende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Das Schlagvolumen der Membran ist von dem Nettodruck auf den Membranbereich abhängig. Auf der einen Seite geht dabei vor allem der elektrostatisch erzeugte Druck und damit die Be¬ triebsspannung U ein, auf der anderen Seite spielt dabei die hydrostatische Druckdifferenz Δp, die für das zu pumpende Fluid zu überwinden ist, eine Rolle. Das Schlagvolumen der Membran bzw. des Membranbereiches ist also bei fester Be¬ triebsspannung vor allem noch von Δp abhängig, was für vie¬ le Anwendungen nicht wünschenswert ist. Um diesen Nachteil zu verringern oder gar ganz aufzuheben, können alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen elektrostatischen Begrenzung auf der zu dem Membranbereich 6 des zweiten Pumpenkörpers 3 weisenden Oberfläche des ersten als Gegen¬ elektrode wirkenden Pumpenkörpers 2 isolierende Elemente 30 vorgesehen, die netzartig angeordnet sind. Diese isolieren¬ den Elemente 30 begrenzen das Schlagvolumen des sich beim Pumpen auswölbenden Membranbereich 6 und führen dazu, daß in dem Bereich kleiner Druckunterschiede Δp das Schlagvolumen nahezu druckunabhängig ist, w e dies unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde (vergleiche Gleichung 3) .

In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform einer elektro¬ statischen Membranpumpe nach der Erfindung dargestellt, bei

der sich im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Membranpum¬ pe die Fluideinlaßöffnung und die Fluidauslaßöffnung auf entgegengesetzten Seiten der Membranpumpe befinden.

Die Membranpumpe in Fig. 5 ist allgemein mit 31 bezeichnet und weist einen ersten, einen zweiten und einen dritten Pum¬ penkörper 32, 33 bzw. 34 auf. Der erste und der zweite Pum¬ penkörper 32 und 33 und der zweite und der dritte Pumpenkör¬ per 33 und 34 sind jeweils über eine Verbindungsschicht 35 bzw. 36 in ihrem Randbereich miteinander verbunden. Der Ab¬ stand zwischen den jeweiligen Pumpenkörpern wird durch die Dicke der Verbindungsschicht 35 bzw. 36 festgelegt. Die Ver¬ bindungsschicht kann beispielsweise aus Pyrex-Glas oder ei¬ nem Lot bestehen.

Der erste Pumpenkörper 32 ist mit einem Ohm'sehen Kontakt 37 und der dritte Pumpenkörper mit einem Ohm'sehen Kontakt 38 zur Verbindung mit einer Spannungsquelle ausgebildet.

Der erste Pumpenkörper 32 weist drei Durchtrittsöffnungen 39, 40 und 41 auf, von denen die beiden erstgenannten den Durchtrittsöffnungen 5 und 4 bei der Membranpumpe in Fig. 2 entsprechen und in gleicher Weise ausgebildet sind. Die dritte Durchtrittsöffnung 41 ist ebenfalls pyramidenstumpf- förmig und verjüngt sich in Richtung zu dem zweiten Pumpen¬ körper 33.

Zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpenkörper 32 und 33 befindet sich ein Verbindungsschichtbereich 42, der dazu dient, eine Kammer 43 für ein dielektrisches Fluid gegenüber der Durchtrittsöffnung 41 abzugrenzen.

Der zweite -Pumpenkörper 33 weist auf der zu dem dritten Pum¬ penkörper 34 weisenden Seite eine Ausnehmung 44 auf, die der Ausnehmung 7 in dem zweiten Pumpenkörper 3 in Fig. 2 ent¬ spricht. Durch die Ausnehmung 44 wird ein dünner, elasti¬ scher Membranbereich 45 festgelegt. Der zweite Pumpenkörper 33 ist mit einer Durchtrittsöffnung 46 ausgebildet, die von

der Ausnehmung 44 beabstandet und zu der Durchtrittsöffnung 41 im ersten Pumpenkörper 32 ausgerichtet ist. Die Durch¬ trittsöffnung 46 ist pyramidenstumpfförmig und verjüngt sich in Richtung zu dem ersten Pumpenkörper 33.

Der dritte Pumpenkörper 34 weist eine Durchtrittsöffnung 47 auf, die pyramidenstumpfförmig ausgebildet ist und sich in Richtung zu dem zweiten Pumpenkörper 33 verjüngt. Die Durch¬ trittsöffnung 47 ist zu der Durchtrittsöffnung 46 im zweiten Pumpenkörper 33 ausgerichtet.

Eine rückwärtige Ausnehmung 44 in dem zweiten Pumpenkörper 33 und die zu dem zweiten Pumpenkörper 33 weisende Oberflä¬ che des dritten Pumpenkörpers 34 legen eine Pumpkammer 48 fest. Auf der der Durchtrittsöffnung 46 benachbarten Seite der Pumpkammer 48 ist eine Vertiefung in dem dritten Pumpen¬ körper 34 ausgebildet, wodurch ein Verbindungskanal 49 zwi¬ schen der Pumpkammer 48 und dem Bereich der Durchtrittsöff¬ nung 46 festgelegt wird. Dieser Verbindungskanal 49 dient dazu, beim Pumpen den Durchtritt des zu pumpenden Fluids von der Pumpkammer 48 zu dem Bereich der Durchtrittsöffnung 46 zu erleichtern.

An der freien Seite des dritten Pumpenkörpers 34 ist an der als Fluideinlaßöffnung dienenden Durchtrittsöffnung 47 ein Zuführschlauch 50 befestigt. An der freien Seite des ersten Pumpenkörpers 32 ist an der als Fluidauslaßöffnung dienenden Durchtrittsöffnung 41 ein Abführschlauch 51 befestigt.

Auf der zu dem zweiten Pumpenkörper 33 weisenden Seite ist die Durchtrittsöffnung 47 im dritten Pumpenkörper 34 mit ei¬ nem Rückschlagventil 52. Auf der zu dem ersten Pumpenkörper 32 weisenden Seite ist die Durchtrittsöffnung 46 im zweiten Pumpenkörper 33 mit einem Rückschlagventil 53 versehen.

Bei einem durch die Bewegung des Membranbereiches 45 hervor¬ gerufenen Pumpvorgang wird abwechselnd zwischen den beiden Rückschlagventilen 52 und 53 im Bereich der Durchtrittsöff-

nung 46 ein Überdruck und ein Unterdruck erzeugt. Bei einem Überdruck wird das Rückschlagventil 52 geschlossen und das Rückschlagventil 53 geöffnet, so daß zu pumpendes Fluid aus der Durchtrittsöffnung 41 ausströmt. Bei einem anschließend erzeugten Unterdruck wird das Rückschlagventil 53 geschlos¬ sen und das Rückschlagventil 52 geöffnet, so daß nun zu pum¬ pendes Fluid durch die Durchtrittsöffnung 47 und den Verbin¬ dungskanal 49 in die Pumpkammer 48 strömen kann.

Bei der vorstehend im Zusammenhang mit der Fig. 5 beschrie¬ benen elektrostatischen Membranpumpe besteht bevorzugt der erste als Gegenelektrode wirkende Pumpenkörper 32 aus einem einseitig poliertem Halbleitersubstrat vom p-Typ, der zweite Pumpenkörper 33 aus einem beidseitig polierten Halbleiter¬ substrat vom n-Typ und der dritte Pumpenkörper 34 aus einem einseitig polierten Halbleitersubstrat vom n-Typ.

Die Membranpumpe gemäß Figur 6 ist allgemein mit dem Be¬ zugszeichen 60 bezeichnet und umfaßt einen ersten und zwei¬ ten Pumpenkörper 61, 62 sowie eine Abdeckplatte 63. Der er¬ ste Pumpenkörper 61 hat zwei Durchtrittsöffnungen 64, 65 für das zu pumpende Fluid sowie zwei Durchtrittsöffnungen 66, 67 für das Verstärkungsfluid mit der hohen Dielektrizitätskon¬ stante, wobei sich die letztgenannten an den Hohlraum 68 an¬ schließen. Unterhalb des Hohlraumes 68 liegt ein Membranbe¬ reich 69 des zweiten Pumpenkörpers 62. Die beiden Pumpen¬ körper 61, 62 sind sowohl an ihren Peripheriebereichen als auch an Randbereichen des Hohlraumes 68 durch eine Verbin¬ dungsschicht 70 miteinander verbunden. Der zweite Pumpen¬ körper 62 definiert zusammen mit der Abdeckplatte 63 eine Pumpkammer 71, die sich einerseits bis an den Membranbereich 69 erstreckt und andererseits in Durchtrittsöffnungen 72, 73 übergeht. Der erste Pumpenkörper 61 trägt im Bereich seiner zweiten Durchtrittsöffnung 65 eine erste Ventilklappe, die zusammen mit der Durchtrittsöffnung 65 ein Rückschlagventil bildet. Der zweite Pumpenkörper trägt eine zweite Ventil¬ klappe 75, die zusammen mit dessen zweiter Durchtrittsöff¬ nung 73 ein weiteres Rückschlagventil bildet.

An die erste und zweite Durchtrittsöffnung 64, 65 des ersten Pumpenkörpers 61 schließen sich die beiden Fluidanschlüsse 76, 77 an.

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsformen gemäß Fig. .1. Mit Fig. 1 übereinstimmende Teile der Ausführungs¬ form gemäß Fig. 7 sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 unterscheidet sich im wesentlichen dadurch von derjenigen gemäß Fig. 1, daß der Membranbereich 6 des zweiten Pumpenkörpers 3 und der gegenüberliegende Gegenelektrodenbereich 11 des ersten Pum¬ penkörpers 2 im Querschnitt rippenartig oder kammartig strukturiert sind. Hierdurch wird bei gegebener Dielektrizi¬ tätskonstante des dielektrischen Fluids in dem Hohlraum 10 und bei gegebener Spannung, die an die beiden Pumpenkörper 2, 3 angelegt wird, eine Erhöhung der auf die Membran 6 ein¬ wirkenden elektrostatischen Kraft erreicht.

Obwohl bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Membranpum¬ pe eine Flüssigkeit in dem Hohlraum aufweist, die als Fluid¬ medium mit dem elektrischen Feld beaufschlagt wird, und eine Flüssigkeit pumpt, kann anstelle der Flüssigkeit ein Gas, wie z.B. Luft, und/oder anstelle der zu pumpenden Flüssig¬ keit ein zu pumpendes Gas vorgesehen sein.

Falls es bei einem Anwendungsfall nicht auf eine hohe Pump¬ leistung, sondern es nur darauf ankommt, daß das zu pumpende Fluid nicht von dem elektrischen Feld beaufschlagt wird, so kann der Hohlraum mit einem Fluidmedium gefüllt sein, dessen relative Dielektrizitätskonstante 1 oder kleiner 1 ist. In Betracht kommt Luft als Fluidmedium.