DE19716683C1 - Miniature encapsulation device for sensitive materials - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterbildung einer Vorrichtung zur gekapselten Aufnahme eines Materials nach der nicht vorveröffentlichten DE 196 10 293 C1.The present invention relates to a further development of a Device for encapsulated reception of a material according to the unpublished DE 196 10 293 C1.
Auf vielen Gebieten werden empfindliche Materialien, z. B. chemische Indikatormaterialien, Katalysatoren, Medikamente, eingesetzt. Empfindlich heißt, die Lebensdauer, d. h. die Verwendbarkeit für einen bestimmten Zweck, wird bei Kontakt mit einem bestimmten Stoff oder Stoffgemisch reduziert. Auf grund dieser begrenzten Lebensdauer ist es erwünscht, diese Materialien erst kurz vor ihrem Einsatz in dem schädlichen Meßmedium freizugeben und sie bis zu diesem Zeitpunkt unter Schutzgas oder Schutzflüssigkeit oder Vakuum zu verwahren. Das schädliche Meßmedium kann mit der zu messenden Substanz identisch sein.In many areas, sensitive materials, e.g. B. chemical indicator materials, catalysts, medicines, used. Sensitive means the lifespan, i.e. H. the Availability for a specific purpose, is available on contact reduced with a certain substance or mixture of substances. On Because of this limited life, it is desirable to use it Materials just before they are used in the harmful Release the measuring medium and take it up to this point Keep protective gas or protective liquid or vacuum. The harmful measuring medium can with the substance to be measured be identical.
Übliche Methoden sind hierzu das Kapseln der Substanz in ei nem Glaskolben, Kunststoff-Folien oder ähnlichen Verpackun gen. Der Nachteil dieser Methoden ist vielfältig: Die Kapse lungsmethoden sind nur begrenzt miniaturisierbar und/oder der Verschluß ist nicht oder nur aufwendig automatisch zu öffnen. Solche empfindlichen Stoffe werden auch in einem Ge fäß eingeschlossen, welches über ein Ventil und/oder Schlauchsystem mit der Außenwelt verbunden ist. Diese Vor richtung ist automatisch zu öffnen, doch kann hier die Ge schwindigkeit der mechanischen Öffnung für manche Anwendun gen nicht ausreichend sein. Ein Reagieren auf schnelle Vor gänge ist somit nicht möglich. Weiterhin begrenzt die not wendige Mechanik die minimal erreichbare Baugröße und die Kostenreduzierung. Common methods for this are to encapsulate the substance in egg glass flask, plastic film or similar packaging The disadvantage of these methods is manifold: the capsule Methods of miniaturization can only be miniaturized and / or the closure is not automatic or only complex to open. Such sensitive substances are also in a Ge included barrel, which via a valve and / or Hose system is connected to the outside world. This before direction can be opened automatically, but here the Ge Mechanical opening speed for some applications be insufficient. Responding to fast forward gears are therefore not possible. Furthermore, the emergency agile mechanics the minimum achievable size and the Cost reduction.
Die direkte Beschichtung der zu schützenden Substanz mit z. B. elektrisch abdampfbaren Materialien ist nur sehr be grenzt einsetzbar, da diese Methode in vielen Fällen zu ei ner irreversiblen Kontamination des beschichteten Materials führt.The direct coating of the substance to be protected with e.g. B. electrically evaporable materials is only very be limited use, since in many cases this method irreversible contamination of the coated material leads.
Die DE 39 19 042 A1 offenbart ein System zur Analyse von fe sten Substanzen auf Quecksilber. Bei diesem bekannten System wird eine zu analysierende feste Substanz in ein Gefäß ein gebracht, das nachfolgend durch eine Membran verschlossen wird, wobei, wenn über der Membran ein Deckel auf den Rand des Gefäßes gesetzt ist, die Membran durch das Erhitzen der festen Substanz und einen dadurch bedingten Überdruck in dem Gefäß zerstört wird. Die bei dem in der DE 39 19 042 A1 offen barten System verwendete Vorrichtung ist jedoch für eine Großserienfertigung nicht geeignet.DE 39 19 042 A1 discloses a system for analyzing fe Most substances on mercury. With this known system a solid substance to be analyzed is placed in a vessel brought, which is subsequently closed by a membrane being, when, over the membrane, a lid on the edge of the vessel is set by heating the membrane solid substance and a resulting overpressure in the Vessel is destroyed. The open in DE 39 19 042 A1 beard system used, however, is for a Large series production not suitable.
Die DE 35 20 416 C2 beschreibt eine Vorrichtung zum steuerba ren Öffnen einer Trennwand, wobei die Trennwand aus einer in einen Spannring eingesetzten Membran mit anliegenden Heiz drähten besteht, welche ein Öffnen der Membran bei Versor gung mit elektrischer Energie bewirken. Auch diese Vorrich tung ist nicht für eine Massenproduktion beispielsweise mit tels mikromechanischer Verfahren geeignet.DE 35 20 416 C2 describes a device for controllable Ren opening a partition, the partition from an in a clamping ring used membrane with adjacent heating wires, which is an opening of the membrane at Versor effect with electrical energy. This device too tion is not for mass production, for example suitable using micromechanical processes.
Die DE 38 18 614 A1 und DE 39 15 920 A1 offenbaren mikromechani sche Strukturen mit einer Mehrzahl von Vertiefungen zur Auf nahme von kleinen Materialmengen, insbesondere auf dem Ge biet der Biotechnologie. Die Vertiefungen werden dabei mit tels eines Deckels, der vorzugsweise mit den Vertiefungen korrespondierende Erhebungen aufweist, verschlossen.DE 38 18 614 A1 and DE 39 15 920 A1 disclose mikromechani structures with a plurality of recesses for opening taking small amounts of material, especially on the Ge offers biotechnology. The wells are included means of a lid, preferably with the wells has corresponding surveys, closed.
Für den Nachweis von Stoffen in Gasen oder Flüssigkeiten existiert z. B. eine Vielzahl von Transducerbauformen. Viele funktionieren nach dem Prinzip der Widerstands- oder Kapazi tätsmessung des Indikatormaterials. Bezüglich derartiger Transducerbauformen wird verwiesen auf H.-E. Endres, S. rost, H. Sandmaier "A PHYSICAL SYSTEM FOR CHEMICAL SENSORS", Proc. Microsystem Technologies, Berlin, 29.10.-01.11.91, 70-75. Eine Änderung dieser Größe(n) wird mit einem Ereignis in dem zu untersuchenden Medium korreliert. Die für die z. B. Widerstandsmessung notwendigen Strukturen, z. B. Inter digitalstrukturen, werden oft in einer Dünnfilmtechnik auf ein Substrat, z. B. Silizium, Quarz, aufgebracht. Der Träger dieser Sensoren kann auch selbst wieder eine Membranstruktur sein.For the detection of substances in gases or liquids exists e.g. B. a variety of transducer designs. Lots operate on the principle of resistance or capacitance measurement of the indicator material. Regarding such Transducer designs are referred to H.-E. Endres, S. Rost, H. Sandmaier "A PHYSICAL SYSTEM FOR CHEMICAL SENSORS", Proc. Microsystem Technologies, Berlin, October 29th - November 1st, 1991, 70-75. A change in this size (s) will result in an event correlated in the medium to be examined. The for the z. B. Resistance measurement necessary structures, e.g. B. Inter digital structures are often based on a thin film technique a substrate, e.g. As silicon, quartz, applied. The carrier These sensors can also have a membrane structure be.
Aus der Mikrosystemtechnik ist seit Jahren die Herstellung von dünnen Membranstrukturen, z. B. Si3N4 auf Si-Trägermate rial und andere Kombinationen, bekannt. Im allgemeinen wer den diese Membranstrukturen aufgrund ihrer sehr niedrigen thermischen Wärmekapazität und/oder Wärmeleitfähigkeit ein gesetzt. Sie dienen als Trägermaterial für temperaturemp findliche Widerstände, z. B. bei der Realisierung thermischen Durchflußmessers und/oder zur thermischen Isolierung eines Heizelements von seiner Umgebung.Microsystem technology has been producing thin membrane structures, e.g. B. Si 3 N 4 on Si carrier material and other combinations known. In general, who the membrane structures due to their very low thermal heat capacity and / or thermal conductivity set. They serve as a carrier material for temperature sensitive resistors, e.g. B. in the implementation of thermal flow meter and / or for the thermal insulation of a heating element from its surroundings.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der Er findung die Aufgabe zugrunde, eine miniaturisierbare Vor richtung zu schaffen, die die Ereignis- oder zeitlich ge steuerte, automatische Vermengung zweier Stoffe ermöglicht.Based on the prior art mentioned, the Er finding the task based on a miniaturizable before create direction that the event or time ge controlled, automatic mixing of two substances.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentan spruchs 1 gelöst.This object is achieved by a device with the features of the patent spell 1 solved.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur ge trennten, gekapselten Aufnahme einer Mehrzahl gleicher oder unterschiedlicher Stoffe in einer Mehrzahl von abgeschlosse nen Hohlräumen in einer mikromechanisch gefertigten Struk tur, wobei zumindest zwei der Hohlräume durch eine in Mikro systemtechnik oder Dünnfilmtechnologie implementierte Mem bran getrennt sind, wobei die Vorrichtung eine elektrisch betätigbare Heizeinrichtung zum Zerstören der Membran, um die zumindest zwei Hohlräume zu verbinden, aufweist.The present invention provides an apparatus for ge separated, encapsulated recording of a plurality of the same or different substances in a plurality of completed cavities in a micromechanically manufactured structure tur, whereby at least two of the cavities by one in micro system technology or thin film technology implemented mem bran are separated, the device being an electrical actuatable heater to destroy the membrane in order which has to connect at least two cavities.
Die mikromechanisch gefertigte Struktur kann vorzugsweise durch eine Mehrzahl von Halbleiterwafern gebildet sein, die derart verbunden sind, daß zumindest zwei Ausnehmungen in den Halbleiterwafern durch die in Mikrosystemtechnik oder Dünnfilmtechnologie implementierte Membran getrennt sind. Ferner kann eine solche mikromechanisch gefertigte Struktur eine Mehrzahl von Membranen aufweisen, wobei jede Membran jeweils zumindest zwei Hohlräume in der mikromechanisch ge fertigten Struktur trennt. Mittels einer geeigneten Treiber einrichtung zum Treiben der elektrisch betätigbaren Heizein richtungen kann die Mehrzahl der Membranen dann im wesentli chen gleichzeitig oder zeitversetzt zerstört werden.The micromechanically manufactured structure can preferably be formed by a plurality of semiconductor wafers which are connected such that at least two recesses in the semiconductor wafers by the in microsystem technology or Thin film technology implemented membrane are separated. Such a micromechanically manufactured structure can also be used have a plurality of membranes, each membrane in each case at least two cavities in the micromechanically ge finished structure separates. Using a suitable driver device for driving the electrically operable heater directions, the majority of the membranes can then essentially Chen are destroyed at the same time or with a time delay.
Die in der vorliegenden Vorrichtung verwendete Membran kann vorzugsweise mit einer Schutzschicht versehen sein, die die Häusung von aggressiven Medien ermöglicht. Besteht die Mem bran beispielsweise aus Siliziumnitrid, kann als wider standsfähige Schutzschicht beispielsweise Siliziumcarbid verwendet werden.The membrane used in the present device can preferably be provided with a protective layer which Enabling aggressive media to be housed. Passes the meme bran, for example, made of silicon nitride, can be considered as reflected Stable protective layer, for example silicon carbide be used.
Die Vorrichtung bedient sich der Tatsache, daß in dünnen Membranen, welche in Dünnfilmtechnologie oder Mikro systemtechnik implementiert sind, häufig höhere Spannungs kräfte auftreten, welche in anderen Bereichen der Technik als Problem derartiger Membranstrukturen gelten. Diese Span nungskräfte, die in der Membran vorliegen, bewirken bei An wendung von thermischen Kräften auf die Membran ein explo sionsartiges Zerplatzen derselben. Dabei verdampft die Mem bran nicht, sondern zerspringt in einzelne Stücke. Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Heizeinrichtung ist vorzugsweise als ein auf der Membran integrierter Heizer ausgeführt, bei dem ein kurzer Heizimpuls eine thermische Verspannung der Membran bewirkt, durch die diese Membran zum Platzen gebracht wird.The device makes use of the fact that in thin membranes, which in thin film technology or micro system technology are implemented, often higher voltage Forces occur in other areas of technology are considered a problem of such membrane structures. This span At An application of thermal forces on the membrane an explo sions-like bursting of the same. The meme evaporates bran does not, but shatters into individual pieces. The according heater used in the present invention preferably as a heater integrated on the membrane executed, in which a short heating pulse a thermal Tensioning the membrane caused by this membrane to Burst is brought.
Die in der Vorrichtung verwendeten Strukturen bieten eine einfache, kontaminationssichere und schnelle Art und Weise, um eine Mehrzahl von in unterschiedlichen Hohl räumen befindliche Stoffe zu vermengen, wobei die Struktur in einfacher Weise einer Großserientechnik zugänglich ist. Das ordnungsgemäße Zerstören der Membran kann jeweils durch eine geeignete Elektrodengeometrie signalisiert werden. Die vorliegende Erfindung bedient sich somit einer Struktur, die mit gängigen großserientechnischen Methoden implementierbar ist. Hierbei ist die Membran-Grundkörper-Struktur vorteil hafterweise in Mikrosystemtechnik ausgeführt. Für die Zwecke der Erfindung kann die Membran jedoch auch in Dünnfilmtech nik ausgeführt sein.The structures used in the device offer a simple, contamination-proof and fast way and way to a plurality of in different hollow to clear away existing substances, the structure is easily accessible for large-scale production. The proper destruction of the membrane can be caused by a suitable electrode geometry can be signaled. The The present invention thus uses a structure that Can be implemented with common large-scale production methods is. The membrane base body structure is advantageous here executed in microsystem technology. For the purposes the invention, however, the membrane can also in thin film technology nik be executed.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Ausführungsbei spiels der Vorrichtung zur getrennten, ge kapselten Aufnahme einer Mehrzahl gleicher oder unterschied licher Stoffe.The only figure shows one schematic cross-sectional representation of an exemplary embodiment game of the device for separate, ge encapsulated recording of a plurality of the same or different substances.
Die Vorrichtung die mit dem Bezugszeichen 20 be zeichnet ist, weist einen Träger 1 auf, der beispielsweise aus Quarz besteht. Auf den Träger 1 ist optional eine Schicht 2 aufgebracht, die beispielsweise zur Unterstützung einer Ver bindung des Trägers 1 mit einem Halbleiterwafer, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Silizium besteht, dienen kann, in dem eine Ausnehmung 8 durch übliche, photolithogra phische und ätztechnische Methoden eingearbeitet ist. Über der Ausnehmung 8 ist eine Membran 5 gebildet. Für einen Fachmann auf dem Gebiet der Mikrosystemtechnik bedarf es keiner Erläuterung, daß Methoden zur Herstellung einer eine Halbleiterstruktur überspannenden Membran in der Mikrosy stemtechnik üblich sind und daß hierbei üblicherweise die Membran 5 zunächst auf die Halbleiterstruktur 4 aufgebracht wird, bevor die Ausnehmung 8 durch photolithographische und ätztechnische Maßnahmen in der Halbleiterstruktur 4 gebildet wird.The device, which is marked with the reference numeral 20 , has a carrier 1 , which consists for example of quartz. On the carrier 1 , a layer 2 is optionally applied, which can serve, for example, to support a connection of the carrier 1 to a semiconductor wafer, which in the preferred embodiment consists of silicon, in which a recess 8 by conventional, photolithographic and etching methods is incorporated. A membrane 5 is formed over the recess 8 . For a person skilled in the field of microsystem technology, there is no need for an explanation that methods for producing a membrane spanning a semiconductor structure are common in microsystem technology and that the membrane 5 is usually first applied to the semiconductor structure 4 before the recess 8 by photolithographic and etching measures in the semiconductor structure 4 is formed.
Auf der Membran 5 ist eine Heizerstruktur 7, die über An schlußleitungen mit Anschlußflächen oder Bondpads in Verbin dung steht, angeordnet. On the membrane 5 , a heater structure 7 , which is connected to connection lines with connection pads or bond pads, is arranged.
Auf der der Trägerstruktur 4 gegenüberliegenden Oberfläche der Membran 5 ist ein weiterer Wafer 9, der bei dem bevor zugten Ausführungsbeispiel aus Silizium besteht, angebracht. Der Wafer 9 weißt eine Ausnehmung 10 auf und ist derart über der Membran 5 mit dem Wafer 4 verbunden, daß sich die Hohl räume 8 und 10 gegenüberliegen, wobei dieselben durch die Membran 5 getrennt sind.On the surface of the membrane 5 opposite the support structure 4 , a further wafer 9 is attached, which in the preferred embodiment consists of silicon. The wafer 9 has a recess 10 and is connected to the wafer 4 via the membrane 5 in such a way that the cavities 8 and 10 lie opposite one another, the same being separated by the membrane 5 .
Wird nun während der Herstellung der Vorrichtung in den Hohlraum 8 beispielsweise ein Stoff A eingebracht, während in den Hohlraum 10 ein Stoff B eingebracht wird, kann durch eine Betätigung der elektrischen Heizeinrichtung 7 automa tisch eine Vermischung der beiden Stoffe und somit bei spielsweise eine bestimmte Reaktion erreicht werden.If, for example, a substance A is introduced into the cavity 8 during the manufacture of the device, while a substance B is introduced into the cavity 10 , an actuation of the electric heating device 7 can automatically mix the two substances and thus, for example, a specific reaction can be achieved.
Für Fachleute ist offensichtlich, daß das in der Figur dar gestellte Ausführungsbeispiel rein veranschaulichend ist. Beispielsweise könnte die in dem Wafer 9 angeordnete Ausneh mung 10 denselben vollständig durchdringen, wobei dieselbe auf der Oberseite durch eine weitere Membran abgeschlossen ist, an die wiederum eine Ausnehmung eines weiteren Wafers angrenzt. Somit kann beispielsweise eine Struktur erstellt werden, die mehr als zwei jeweils durch eine Membran vonei nander getrennte Hohlräume aufweist.It will be apparent to those skilled in the art that the embodiment shown in the figure is purely illustrative. For example, the recess 10 arranged in the wafer 9 could penetrate the same completely, the same being closed on the upper side by a further membrane, which in turn is adjacent to a recess of a further wafer. Thus, for example, a structure can be created that has more than two cavities, each separated by a membrane.
Die Vorrichtung ermöglicht somit die Abtrennung einer bestimmten Anzahl von Stoffen in zwei oder mehreren durch die "Membrantechnik" getrennten Kammern oder Ausneh mungen. Ein derartiger Aufbau kann erreicht werden, indem die Kapselung entweder schon in der Fertigung mehrere Kam mern und Membrane enthält, oder in dem alternativ die Ele mente auf Wafer- oder Einzelteil-Level beispielsweise durch Waferbonding oder Kleben entsprechend kombiniert werden. Ab hängig vom Aufbau und der gewünschten Reaktion kann nun eine bestimmte Anzahl von Kammern quasi-gleichzeitig (im Millise kundenbereich) oder auch zeitlich beliebig versetzt geöffnet werden, indem die einzelnen Heizereinrichtungen entsprechend angesteuert werden. Durch eine Mehrkammertechnik kann somit die Anzahl von innerhalb eines Membransystems möglichen, beispielsweise chemischen, Reaktionen, beispielsweise Nach weisreaktionen, stark erhöht sein.The device thus enables separation a certain number of substances in two or more chambers or recesses separated by "membrane technology" mung. Such a structure can be achieved by the encapsulation either came in production several times contains membranes, or alternatively in which the ele elements at wafer or individual part level, for example Wafer bonding or gluing can be combined accordingly. From depending on the structure and the desired reaction, one can now certain number of chambers quasi-simultaneously (in millise customer area) or open at any time be by the individual heater devices accordingly can be controlled. With a multi-chamber technology, it can the number of possible within a membrane system, for example chemical, reactions, for example after white reactions, be greatly increased.
Abhängig von der Verwendung kann die Membran mit einer wi derstandsfähigen Schutzschicht versehen werden. Besteht die Membran aus Siliziumnitrid, kann in geeigneter Form eine Si liziumcarbidschicht als Schutzschicht verwendet werden. Da durch ist die Membran auch in aggressiven Medien, beispiels weise starken Säuren, einsetzbar. Bei entsprechender Mate rial-Wahl und -Dicke beeinträchtigt diese Schutzschicht die Funktion des Systems, d. h. das Zerstören der Membran, nicht. Im Gegensatz dazu sind mechanisch bewegte Teile, wie sie Pumpen enthalten, im allgemeinen schwieriger mit Schutz schichten zu überziehen.Depending on the use, the membrane can be wi resistant protective layer. Does it exist Silicon nitride membrane, can be a Si silicon carbide layer can be used as a protective layer. There through the membrane is also in aggressive media, for example wise strong acids, usable. With appropriate mate rial choice and thickness affects this protective layer Function of the system, d. H. destroying the membrane, Not. In contrast, mechanically moving parts are like they contain pumps, generally more difficult to protect layers to coat.
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