DE3926066A1 - Mikromechanische kompressorkaskade und verfahren zur druckerhoehung bei extrem niedrigem arbeitsdruck - Google Patents

Mikromechanische kompressorkaskade und verfahren zur druckerhoehung bei extrem niedrigem arbeitsdruck

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mikromechanische Kompressorkaskade und ein Verfahren zur Druckerhöhung bei extrem niedrigem Arbeitsdruck. Die mikromechanische Kompressorkaskade kann zur Kühlung von Halbleiterbau­ elementen und für pneumatische Steuerungen eingesetzt oder in Aktuatoren und Sensoren genutzt werden.
Kompressoren sind z.B. Hauptbestandteil eines Kühl­ systems neben Wärmetauscher und Expansionsdüse oder -maschine. Der Kühleffekt wird erreicht durch rasche Ausdehnung des Arbeitsmediums durch die Expansionsdüse oder die langsamere Expansion im Falle einer Expansions­ maschine.
Eine Übersicht verschiedenster Kühlsysteme findet sich in "Cryocoolers", Part 1 : Fundamentals, von G. Walker, Plenum Press; ein Beispiel eines sehr kompakten her­ kömmlichen Kühlsystems, die "Small Integral Stirling Cooling Engine" zeigt Fig. 1.2 ebenda. Die wesentlichen Bestandteile eines Kühlsystems sind in ein wenige Kubikzentimeter großes Bauteil integriert.
Ein mikromechanisches Kühlsystem stellt W. A. Little vor in "Design and construction of microminiature cryogenic refrigerators", AIP Proceedings of Future Trends in Superconductive Electronics, Charlottesville, University of Virginia, 1987. In dem "Joule-Thomson Minirefrigeration System" sind verschiedene Elemente wie Wärmetauscher, Expansionsdüse, Gasein- und auslaß­ gebiete sowie Flüssigkeitsspeicher aus einem Stück Silizium mikromechanisch gefertigt. Die Strömungskanäle des Wärmetauschers haben einen Durchmesser von 100µm bei einer Gesamtkanallänge von etwa 25 cm und müssen einen Gasdruck von ca. 70 bar aushalten können. Begrenzt wird der zu erreichende Temperaturunterschied zwischen Gaseinlaß und Expansionsdüse durch die hohe thermische Leitfähigkeit des Siliziums.
In "Sensors and Actuators", 15 (1988) 153-167 beschrei­ ben H. T. G. van Lintel et al. eine von ihnen mikro­ mechanisch in einer Siliziumscheibe von ca. 5 cm Durchmesser gefertigte Mikropumpe. Die Mikropumpe hat eine Glas-Silizium-Glas Sandwichstruktur mit 1 oder 2 Pumpkammern und 2-3 Ventilen. Der Arbeitsdruck wird durch Anlegen einer Spannung an die piezoelektrische doppellagige Pumpmembran aufgebaut.
Den Kaskadeneffekt nutzt Keesom in seinem "Cascade Air Liquefier" (Fig. 2.7 in "Cryogenic Engineering" by Russel B. Scott, D. van Nostrand Company, Inc.) zur Luftverflüssigung mit vier in Serie geschalteten Ver­ dampfersystemen für Flüssigkeiten mit sukzessive ab­ nehmendem Siedepunkt.
DE 32 02 324 A1 beschreibt eine Wärmepumpe, deren Ver­ dichter aus mehreren parallel geschalteten identischen Kompressoren besteht, deren Membranmitten während des Arbeitstaktes durch mechanische Kräfte zusammengepreßt werden, Gas komprimieren und zu Wärmetauschern weiterleiten.
An Kompressoren, die zur Kühlung von kleinen Bauteilen wie mikroelektronischen Chips eingesetzt werden sollen, sind hohe Anforderungen bezüglich ihrer geometrischen Abmessungen und ihrer Kompaktheit zu stellen. Vorteil­ haft ist die Integration der Kompressoren in das Sub­ strat des Chips oder in das Module. Hohe Arbeitsdrücke in mikromechanischen Kühlsystemen reduzieren deren Zuverlässigkeit und das Ansteuern der einzelnen Mem­ branpumpen ist sehr aufwendig.
Die Lösung der oben angegebenen Aufgabe ergibt sich gemäß den Merkmalen der Ansprüche. Die Erfindung nutzt dazu die bei einem Kaskadeneffekt erreichbare höhere Pumpeffizienz verbunden mit einem geringeren Leistungs­ verbrauch durch das Hintereinanderschalten einer Viel­ zahl von mikromechanischen Membranpumpen aus. Diese sind so angeordnet, daß der Komprimierungseffekt regulierbar wird. Die Anordnung und Ausgestaltung der Membranpumpen erlaubt das Komprimieren bei extrem niedrigem Arbeitsdruck, das simultane Anregen aller Membrane zu Resonanzschwingungen und die Nutzung beider Hubkammern einer Membranpumpe für den eigentlichen Kompressionsvorgang. Die in der Erfindung beschriebene Kompressorkaskade ist integrationsfähig mit elek­ tronischen Bauelementen wie z.B. Halbleiterchips. Sie kann beispielsweise zusammen mit weiteren Bestandteilen wie Wärmetauscher und Expansionsdüse mikromechanisch hergestellt werden und in ein sehr kompaktes Miniatur­ kühlsystem integriert werden. Die mikromechanischen Herstellverfahren der Siliziumtechnologie erlauben eine starke Miniaturisierung der Kompressorkaskade, wodurch eine hohe Komplexität verbunden mit hoher Pumpgeschwin­ digkeit erreicht wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1a und 1b jeweils ein Kompressorkaskadenelement mit drei Membranpumpen im Querschnitt mit den Schnittebenen S1 und S2;
Fig. 2 den Schnitt durch ein Kompressorkaskaden­ element mit zwei Membranpumpen in Aufsicht,
Fig. 2a im Bereich der A-Platte
Fig. 2b in der Membran- und Ventilebene
Fig. 2c im Bereich der B-Platte;
Fig. 3 schematisch die Anordnung der hintereinander­ geschalteten Membranpumpen in der Kompressor­ kaskade;
Fig. 4 ein Miniaturkühlelement mit der in der Erfindung beschriebenen Kompressorkaskade und weiteren für Kühlelemente erforderlichen Bestandteilen
Fig. 4a in der Aufsicht
Fig. 4b im Querschnitt;
Fig. 5 ein Kühlsystemgehäuse, das mehrere der in Fig. 4 dargestellten Miniaturkühlelemente beherbergt.
Das Kompressorkaskadenelement in Fig. 1a und b besteht aus jeweils drei hintereinandergeschalteten mikro­ mechanischen Membranpumpen P1, P2 und P3. Sie gehören zu einer Kompressorkaskade, die aus Hunderten solcher Membranpumpen P1...Pn aufgebaut sein kann. Zu jeder Membranpumpe gehören zwei gleich große Hubkammern P1-A und P1-B, P2-A und P2-B, P3-A und P3-B. Die Hubkammern werden mittels für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen üblicher Ätztechniken wie Reaktives Ionenätzen, Reaktives Ionenstrahlätzen, Isotropes Ätzen etc. in zwei gegenüberliegenden Platten A und B gefertigt. Diese Ätztechniken beschreibt u. a. K. Petersen in "Techniques and Applications of Silicon Integrated Micromechanics" in RJ3047 (37 942) 2/4/81. Als Platten­ material können verschiedene leitende oder halb-leitende Materialien, die mikromechanisch bearbeitbar sind, wie z.B. Silizium verwendet werden.
Die zu einer Pumpe gehörenden sich gegenüberliegenden Hubkammern sind durch eine dünne Membran M1, M2, M3 voneinander getrennt. Die Verbindung der einzelnen Membranpumpen wird durch Eingangs- und Ausgangskanäle D21-A, D31-A, D41-A, D21-B, D31-B, C11-A, C21-A, C11-B, C21-B und C31-B hergestellt, die Ventile V11-B, V21-A, V31-B, V11-A, V21-B enthalten.
Die Membranen und Ventile können aus dünner Folie bestehen, die auf Platte A oder Platte B aufliegt oder aus einer Folie, die sich zwischen den Platten A und B befindet. Zur Herstellung der Membranen und Ventile können die von der Herstellung elektronischer Schalt­ kreise bekannten Beschichtungs-, Lithographie- und Ätzverfahren wie Aufdampfen, verschiedene Verfahren zum Abscheiden aus der Dampfphase (CVD-Verfahren), hoch­ auflösende optische oder Röntgenlithographieverfahren sowie isotrope und anisotrope Ätztechniken eingesetzt werden. An die Membran wird eine elektrische Spannung UM angelegt. Als Folienmaterial eignen sich Metalle wie Aluminium oder Kupfer, metallisch beschichtete synthe­ tische Folien oder metallisch beschichtetes Silizium­ dioxid. Einen zur Herstellung dieser Membranen geeigne­ ten Prozeßablauf beschreibt z.B. K. E. Petersen im "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 21, No. 9, February 1979, Seiten 3768-3769 für die Herstellung elektrostatisch kontrollierter mikromechanischer Schalter aus amorphen Filmen.
Die Ventile haben die Aufgabe, den Rückfluß des Pump­ mediums zu verhindern und sich in Durchflußrichtung des Pumpmediums zu öffnen. Sie können in Form von Zungen, die sich nur durch mechanischen Druck des Pumpmediums öffnen lassen oder als elektrostatisch kontrollierte Schalter ausgebildet sein, die K. E. Petersen in "IEEE Transactions On Electronic Devices" 25 (1978) 215 vorstellt. Die Zungen schließen sich durch eingeprägte Vorspannung des Zungenmaterials selbständig.
Fig. 2a zeigt in Aufsicht die Hubkammern P1-A und P2-A im Bereich der A-Platte und Fig. 2c die Hubkammern P1-B und P2-B im Bereich der B-Platte der Membranpumpen P1 und P2. Alle Hubkammern stimmen in ihrer Breite W überein, unterscheiden sich aber in der Länge L1 und L2. Die Membranpumpen sind so angeordnet, daß die Länge und somit das Volumen der in Strömungsrichtung des Pumpmediums jeweils nächstfolgenden Membranpumpe abnehmen. An den Längsseiten der Hubkammern sind die Ein- und Ausgangskanäle D21-A bis D24-A, D21-B bis D24-B und C11-A bis C14-A, C11-B bis C14-B unterge­ bracht. Bei langgestreckter Form der Pumpkammern lassen sich eine Vielzahl von Ein- und Ausgangskanälen in den Längsseiten unterbringen. Dies führt über einen er­ höhten Kanalquerschnitt zu einem hohen Durchsatz des Pumpmediums.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel beträgt die Breite W der Hubkammern 20µm, die Länge L1 der Mem­ branpumpe P1 100 µm und die Höhe der Membranpumpen Pn 3µm.
Fig. 2b zeigt in Aufsicht die Membranen M1 und M2 und an deren Längsseiten die Ventile V11-A bis V14-A und V11-B bis V14-B der beiden Membranpumpen P1 und P2.
In Fig. 2a-c sind die Schnittebenen S1 und S2 für die Querschnitte von Fig. 1a und 1b angegeben.
An die Platten A und B werden gleiche feste Potentiale mit entgegengesetztem Vorzeichen UA= +, UB= - angelegt, wohingegen das Vorzeichen des an die Membranen M1...Mn angelegten Potentials UM = +/- ständig wechselt und die Membranen umlädt. Durch elektrostatische Anziehungs­ kräfte werden die Membranen zu Platte A oder B hin angezogen und in Schwingungen versetzt. Die Membranen Mn verhalten sich wie mechanische Oszillatoren, die alle mit der durch die Breite W definierten Resonanz­ frequenz im wesentlichen synchron in die gleiche Auslenkungsrichtung schwingen. Durch die Mikrostruk­ turen lassen sich hohe Resonanzfrequenzen erreichen. Der für das Kompressionsverfahren nutzbare Arbeitsdruck Δp ist bei allen Membranpumpen Pn gleich groß. Er ergibt sich aus der elektrostatischen Anziehungskraft, die auf die Membranen Mn und damit auf das Pumpmedium wirkt.
Während des in Fig. 1a und b festgehaltenen Zeitpunkts liegt an den Membranen das Potential UM+ und die Membranen M1, M2, M3 werden zur B-Platte hin ausge­ lenkt. Die Membranauslenkungen bewirken, daß das Pumpmedium in den Hubkammern der B-Platte P1-B, P2-B, P3-B der Membranpumpen P1, P2, P3 in die Hubkammern der A-Platte P2-A, P3-A, P4-A der jeweils nächstfolgenden Membranpumpen P2, P3, P4 bewegt wird. Dabei öffnen sich durch den Strömungsdruck die Ventile V11-B, V21-B, V31-B, die zwischen den Auslaßkanälen C11-B, C21-B, C31-B und den Einlaßkanälen D21-A, D31-A, D41-A angeordnet sind. Die Ventile V11-A, V21-A, V31-A bleiben geschlossen und verhindern den Rückstrom des Pumpmediums. Dieser Vorgang läuft im wesentlichen synchron in allen Membranpumpen Pn der Kompressorkaskade ab.
Das Umladen der Membranen Mn durch Ändern des Potentials von UM+ auf UM- erfolgt zum Zeitpunkt der größten Membranauslenkung. Es hat zur Folge, daß die Membranen Mn nun zur A-Platte hin angezogen werden und sich zur A-Platte hin auslenken. Entsprechend wird das Pumpmedium in den Hubkammern der A-Platte der Pumpen P1, P2, P3 in die Hubkammern der B-Platte der jeweils nächstfolgenden Pumpen P2, P3, P4 bewegt. Die Ventile V11-A, V21-A, V31-A sind dabei geöffnet, während die Ventile V11-B, V21-B, V31-B geschlossen sind. Dieser Vorgang läuft ebenfalls im wesentlichen synchron in allen Membran­ pumpen Pn ab.
Bei der Bewegung eines gasförmigen oder flüssigen Pumpmediums durch alle Membranpumpen Pn der Kompressor­ kaskade hindurch wird es mit abnehmendem Volumen der Hubkammern Pn-A und Pn-B komprimiert und der Druck in den Hubkammern steigt entsprechend der Volumenreduzie­ rung innerhalb der Kompressorkaskade an. Die Volumen­ reduzierung kann kontinuierlich oder stufenweise erfolgen, z.B. durch kombiniertes Zusammenschalten von mehreren Kompressionsbereichen. Eine mögliche Art der Volumenreduzierung der Hubkammern zeigt Fig. 3, in der ein Ausschnitt der Kompressorkaskade dargestellt ist. In diesem Ausschnitt beträgt das Kompressionsverhältnis insgesamt 4 : 1, was durch Hintereinanderschalten von zwei Kompressionsstufen mit zwei bzw. einem Kompressionsbereich mit jeweils einem Kompressions­ verhältnis von 2 : 1 je Kompressionsstufe erreicht wird. In einem Kompressionsbereich des Kompressor­ kaskadenausschnitts reduziert sich die Länge L der Hubkammern ebenfalls im Verhältnis 2 : 1.
Der Druckanstieg zwischen zwei benachbarten Membran­ pumpen Pn und Pn+1 korrespondiert mit dem von den Membranen Mn aufgebauten Arbeitsdruck Δp. Die Volumenreduzierung kann in beliebig kleinen Schritten erfolgen, so daß bei diesem Kompressionsverfahren mit extrem niedrigem Arbeitsdruck bei entsprechend hoher Pumpenanzahl Pn ein hoher Druckanstieg am Ende der Kompressorkaskade erreicht wird. Der Druckunterschied zwischen zwei gegenüberliegenden Hubkammern Pn-A und Pn-B beträgt während des Kompressionsvorgangs in der gesamten Kompressorkaskade Δp. Die dünnen Membranen Mn und die Ventile Vnm-A, Vnm-B haben somit nur den niedrigen Arbeitsdruck Δp von größenordnungsmäßig 0.001 bar auszuhalten, im Gegensatz zu dem relativ hohen Gasdruck von ca. 70 bar in dem o. a. Joule-Thomson System von W. A. Little.
In Fig. 4 und Fig. 5 ist eines von vielen möglichen Einsatzbeispielen für die in der Erfindung beschriebene Kompresssorkaskade dargestellt.
Fig. 4a zeigt in Aufsicht ein Miniaturkühlelement, das neben der Kompressorkaskade weitere Bauelemente wie Wärmetauscher und Expansionskammer enthält. Kompressor­ bereich und Wärmetauscher sowie Wärmetauscher und Expansionskammer sind durch Einschnitte thermisch voneinander isoliert, damit Wärmeleitung zwischen diesen Elementen verhindert wird. In Fig. 4b ist die kompakte Ausgestaltung des Kompressors zu erkennen. In vier übereinanderliegenden Siliziumscheiben sind drei Kompressorebenen untergebracht. Die Leistungsdichte des Kompressors kann so erheblich gesteigert werden.
In Fig. 5 sind mehrere Miniaturkühlsysteme in ein Kühl­ systemgehäuse eingebaut, das thermisch isoliert und mit einem Niedrigtemperaturwärmeaufnehmer ausgestattet ist. Das Kühlsystemgehäuse wird in diesem speziellen Ausfüh­ rungsbeispiel mit Luft gekühlt. Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel be­ schränkt, sondern kann in verschiedensten Miniaturkühl- Systemen, Sensoren, Aktuatoren und pneumatischen Steue­ rungen zum Einsatz kommen.

Claims (16)

1. Mikromechanische Kompressorkaskade enthaltend
  • - mehrere hintereinandergeschaltete mikro­ mechanische Membranpumpen (P1...Pn) mit in Strömungsrichtung des Pumpmediums jeweils abnehmendem Volumen der Hubkammern (P1-A, P1-B...Pn-A, Pn-B) zur fortschreitenden Komprimierung des Pumpmediums
  • - einen oder mehrere parallel geschaltete Ein- und Ausgangskanäle (D11-A...Dnm-A, D11-B...Dnm-B, C11-A...Cnm-A, C11-B...Cnm-B) an den Längsseiten dieser Hubkammern (Pn-A,Pn-B) zur Verbindung der einzelnen Membranpumpen (Pn)
  • - Ventile (V11-A...Vnm-A, V11-B...Vnm-B), die in diesen Ein- und Ausgangskanälen (Dnm-A, Dnm-B, Cnm-A, Cnm-B) untergebracht sind und den Rückfluß des Pumpmediums verhindern.
2. Kompressorkaskade nach Anspruch 1, wobei eine Membranpumpe (P1) aus 2 gleich großen gegen­ überliegenden Hubkammern (P1-A, P1-B) besteht, die durch eine dünne Membran (M1) voneinander getrennt sind.
3. Kompressorkaskade nach Anspruch 1 oder 2, wobei alle Hubkammern (P1-A...Pn-A, P1-B...Pn-B) gleichzeitig in 2 gegenüberliegenden Platten (A, B) mit mikromechanischen Verfahren hergestellt und durch eine dünne Membran (M1...Mn) voneinander getrennt sind.
4. Kompressorkaskade nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hubkammern (P1-A...Pn-A, P1-B...Pn-B) mit kontinuierlich abnehmendem Volumen sich in ihren Abmessungen jeweils nur in der Länge (L1...Ln) unterscheiden und alle die gleiche Breite (W) aufweisen.
5. Kompressorkaskade nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abmessungen der Hubkammern (P1-A, P1-B) eine Breite (W) von 20µm und eine Länge (L1) von 100µm aufweisen und die Höhe der Membranpumpe (P1) 3µm beträgt.
6. Kompressorkaskade nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Material für die Platten (A, B) Silizium umfaßt.
7. Kompressorkaskade nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei an die Platten (A, B) Potentiale mit entgegengesetztem Vorzeichen (+UA, -UB) angelegt sind und das Potential (+UM, -UM) der Membranen (M1...Mn) wechselt.
8. Kompressorkaskade nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei alle Membranen (M1...Mn) durch elektro­ statische Anziehung zwischen Membran und Platten (A, B) synchron zu Resonanzschwingungen gleicher Frequenz und Auslenkung angeregt werden und den notwendigen Arbeitsdruck (Δp) aufbauen.
9. Kompressorkaskade nach Anspruch 8, wobei die Frequenz der Resonanzschwingungen durch die Breite (W) der Hubkammern (P1-A...Pn-A, P1-B...Pn-B) definiert ist.
10. Kompressorkaskade nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Membranen (M1...Mn) und Ventile (V11-A...Vnm-A, V11-B...Vnm-B) aus dünnen Folien bestehen, die auf einer der Platten (A, B) auf­ liegen oder aus einer Folie, die sich zwischen den beiden Platten (A, B) befindet.
11. Kompressorkaskade nach Anspruch 10, wobei das Material für die dünne Folie Metalle wie Aluminium oder Kupfer oder metallisch beschichtete syn­ thetische Folien oder metallisch beschichtetes Siliziumdioxid beinhaltet.
12. Kompressorkaskade nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Ventile (V11-A...Vnm-A, V11-B...Vnm-B) in Form einer Zunge ausgebildet sind und sich nur durch mechanischen Druck des Pumpmediums öffnen lassen.
13. Kompressorkaskade nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Kompressorkaskade mehrere identische Kompressionsbereiche enthält,
  • - die aus mehreren hintereinandergeschalteten mikromechanischen Membranpumpen (Pn) mit in Strömungsrichtung des Pumpmediums abnehmendem Volumen der Hubkammern (Pn-A, Pn-B) aufgebaut sind,
  • - fächerartig zu einer Kompressionsstufe zusammengeschaltet sind, mit von Kom­ pressionsstufe zu Kompressionsstufe abnehmen­ der Anzahl von Kompressionsbereichen,
  • - aus deren Kompressionsverhältnis sich die Gesamtkompression der Kompressorkaskade zu­ sammensetzt.
14. Verfahren zur Druckerhöhung in einem Pumpmedium bei extrem niedrigem Arbeitsdruck, bevorzugt durchgeführt in einer Kompressorkaskade nach Ansprüchen 1 bis 13, mit den Verfahrensschritten
  • - Aufbauen des gleichen Arbeitsdrucks (Δp) im wesentlichen synchron in allen Membran­ pumpen (P1...Pn)
  • - Bewegen des Pumpmediums von der Hubkammer (P1-B) einer Membranpumpe (P1) in die volumenmäßig kleinere Hubkammer (P2-A) der jeweils in Strömungsrichtung des Pumpmediums nachfolgenden Membranpumpe (P2) durch die Ein- und Ausgangskanäle (D1m-B, D1m-A, C1m-B, C1m-A)
  • - Komprimieren des Pumpmediums durch das synchrone Bewegen des Pumpmediums durch alle Membranpumpen (Pn) der Kompressorkaskade hindurch
  • - Erhöhen des Drucks am Ende der Kompressor­ kaskade durch die kontinuierliche Volumen­ reduzierung in den aufeinanderfolgenden Hubkammern (P1-A...Pn-A, P1-B...Pn-B).
15. Miniaturkühlelement enthaltend
  • - einen Kompressor, aufgebaut aus einer oder mehreren mikromechanischen Kompressorkaskaden wie sie in einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 12 beschrieben sind,
  • - einen Wärmetauscher und eine Expansions­ kammer, wobei Kompressor, Wärmetauscher und Expansionskammer thermisch gegeneinander isoliert sind.
16. Miniaturkühlelement nach Anspruch 15, wobei der Kompressor aus einer mehrlagigen Schicht von Siliziumscheiben besteht, in denen mehrere Kom­ pressorkaskaden übereinander angeordnet sind.
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