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Patent Searching and Data


Title:
MICRO-MINIATURIZABLE VALVE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1994/004832
Kind Code:
A1
Abstract:
A micro-miniaturizable valve has a pressure compensating chamber (2), a first semi-active valve (3) arranged between the pressure compensation chamber (2) and a first fluid line (L1) and a second semi-active valve (4) arranged between the pressure compensation chamber (2) and a second fluid line (L2).

Inventors:
ZENGERLE, Roland RICHTER, Axel.
Application Number:
PCT/EP1993/002269
Publication Date:
March 03, 1994
Filing Date:
August 24, 1993
Export Citation:
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Assignee:
Fraunhofer-gesellschaft, Zur F�rderung Der Angewandten Forschung E.
Zengerle, Roland Richter Axel
International Classes:
F15C5/00; F16K99/00; (IPC1-7): F15C5/00
Domestic Patent References:
WO1991012434A1
WO1990015933A1
Foreign References:
US5176358A
US4895500A
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Claims:
Patentansprüche
1. Mikrominiaturisierbares Ventil, gekennzeichnet durcheine Druckausgleichskammer (2) ,ein zwischen der Druckausgleichskammer (2) und einer ersten Fluidleitung (Ll) derart angeordnetes, elek¬ trostatisch haltbares, erstes semiaktives Ventil (3) , daß dieses gegen einen Druck in der ersten Fluidleitung (Ll) , der höher ist als derjenige in der Druckaus¬ gleichskammer (2) , durch Anlegen einer ersten Spannung (UI) an elektrisch leitfähige Bereiche (11, 12) des ersten semiaktiven Ventiles (3) in einem geschlossenen Zustand haltbar ist, undein zwischen der Druckausgleichskammer (2) und einer zweiten Fluidleitung (L2) derart angeordnetes, elektro¬ statisch haltbares, zweites semiaktives Ventil (4) , daß dieses gegen einen Druck in der Druckausgleichskammer (2) , der höher ist als derjenige in der zweiten Fluid¬ leitung (L2) , durch Anlegen einer zweiten Spannung (U2) an leitfähige Bereiche (ll, 12) des zweiten semiaktiven Ventiles (4) in einem geschlossenen Zustand haltbar ist.
2. Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 1, gekenn¬ zeichnet durcheinen von dem Druck in der Druckausgleichskammer (2) beaufschlagten Ventilkolben (17, 17\', 17",) der in Abhängigkeit von dem Druck in der Druckausgleichskammer (2) gegen einen Ventilsitz (19, 27) zwischen einer dritten und vierten Fluidleitung (L3, L4) anlegbar ist. Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durcheine Steuervorrichtung, die die erste und zweite Span¬ nung (UI, U2) für die Ansteuerung des ersten und zwei¬ ten semiaktiven Ventiles (3, 4) derart erzeugt, daß zu jedem Zeitpunkt während des Betriebes des mikrominiatu¬ risierbaren Ventiles (1) zumindest an eines der beiden Ventile (2 , 4) eine Spannung (UI, U2) angelegt wird.einen von dem Druck in der Druckausgleichskammer (2) beaufschlagten Ventilkolben (17, 17\', 17\'\',) der in Abhängigkeit von dem Druck in der Druckausgleichskammer (2) gegen einen Ventilsitz (19, 27) zwischen einer dritten und vierten Fluidleitung (L3, L4) anlegbar ist.Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß der Ventilkolben (17, 17\', 17") von einer an die Druckausgleichskammer (2) angrenzenden Membran (16) ge¬ führt ist.
3. 5 Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,daß die von dem Ventilsitz (17, 27) umschlossene Fläche (A3) im Bereich der vierten Fluidleitung (L4) kleiner ist als die von dem Druck in der Druckausgleichskammer (2) beaufschlagte Fläche (Aχ) des Ventilkolbens (17, 17\', 17").
4. 6 Mikrominiaturisierbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß das erste und zweite semiaktive Ventil (3, 4) je¬ weils einen beweglichen Ventilbereich (5, 22) haben, der eine Öffnung (6) in einem benachbarten, festen Flächenbereich (7) überdeckt, unddaß der bewegliche Ventilbereich (5, 22) und der feste Flächenbereich (7) jeweils die genannten elektrisch leitfähigen Bereiche (10, 11) umfassen.
5. 7 Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,daß die Fläche (F3) des beweglichen Ventilbereiches (5, 22) größer ist als die Fläche (Fj der Öffnung (6) .Mikrominiaturisierbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durchdrei übereinander angeordnete, miteinander verbundene, im wesentlichen plattenförmige Körper (Kl, K2, K3) , die derart ausgebildet sind, daß der erste und zweite Kör¬ per (Kl, K2) miteinander die Druckausgleichskammer (2) festlegen, unddaß die beiden semiaktiven Ventile (3, 4) derart durch den zweiten und dritten Körper (K2, K3) festgelegt sind, daß der bewegliche Ventilbereich (5) des ersten semiaktiven Ventiles (3) und der feste Flächenbereich (7) des zweiten semiaktiven Ventiles (4) durch den zweiten Körper (K2) gebildet sind und daß der beweg¬ liche Ventilbereich (5) des zweiten semiaktiven Ven¬ tiles (4) und der feste Flächenbereich (7) des ersten semiaktiven Ventiles (3) durch den dritten Körper (K3) gebildet sind.
6. 9 Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,daß der Ventilkolben (17, 17\', 17") und die ihn füh¬ rende Membran (16) durch den zweiten Körper (K2) ge¬ bildet sind.
7. 10 Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,daß wenigstens zwei der drei Körper (Kl, K2, K3) mit Verfahren der Halbleitertechnologie hergestellt sind.
Description:
Mikrominiaturisierbares Ventil

Beschreibuncr

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrominiaturisier¬ bares Ventil.

Bekannte pneumatische Ventile und hydraulische Ventile be¬ stehen aus einer Vielzahl von Komponenten, die typischer¬ weise aus Kunststoffen und Metallen bestehen. Insbesondere bei sogenannten Verstärkerventilen, die mittels eines ver¬ gleichsweise geringen pneumatischen Steuerdruckes einen ho¬ hen Druck schalten können, ergeben sich bei bekannten Ven¬ tilen erhebliche Baugrößen und somit auch hohe Volumina, die bei den bekannten Ventilen zu vergleichsweise langen Schalt¬ zeiten und einem in dynamischer Hinsicht nicht zufrieden¬ stellenden Verhalten führen.

Seit einiger Zeit werden Ventilstrukturen und Mikropumpen auch mit Methoden der Halbleitertechnologie hergestellt. So zeigt beispielsweise die Fachveröffentlichung Sensors und Actuatores 20 (1989) , 163 bis 169 ein mittels Photolitho¬ graphischer Verfahren aus Silizium hergestelltes Mikroven- til, das auf einem Siliziumwafer mit einem Durchgangsloch für das zu steuerende Fluid angeordnet ist, wobei diese Ven¬ tilstruktur einen beweglichen Ventilkörper umfaßt, der mit¬ tels radial verlaufender Arme, die in einen Befestigungsring übergehen, über dem Durchgangsloch angeordnet ist. Ein Schließen des Durchgangsloches erfolgt durch ein piezoelek¬ trisches Betätigungselement.

Aus der Fachveröffentlichung Proceedings of IEEE, MEMS-90, 11. bis 14.02.1990, Napa Valley, Kalifornien: "Micro achined Silicon

Microvalve" ist bereits ein elektrostatisch betätigbares Si¬ liziummikroventil bekannt, welches ein Grundteil mit einer Einlaßöffnung umfaßt, die konisch zu einer Auslaßöffnung zu¬ sammenläuft, oberhalb der in einem geringen Abstand eine elastische Verschlußplatte aus einem Dielektrikum angeordnet ist. Sowohl die elastische Verschlußplatte als auch der un¬ terhalb dieser Verschlußplatte liegende Dielektrikumbereich haben Elektrodenplatten zum elektrostatischen Öffnen und Schließen des so gebildeten Mikroventiles. Die Flußmodula¬ tionskurve eines derartigen Mikroventiles in Abhängigkeit von der Steuerspannung zeigt eine starke Hysterese. Obwohl dieses bekannte Mikroventil eine hohe Haltekraft hat, also in seinem geschlossenen Zustand auch einer hohen Druckdif¬ ferenz von ca. lOOOmbar widersteht, ist es nicht dazu in der Lage, bei hohen Fluiddurchflußströmungsgeschwindigkeiten und Druckdifferenzen von mehr als 150mbar in seiner geöffneten Lage durch Anlegen eines elektrischen Steuersignales wieder geschlossen zu werden. Ein Schließen ist praktisch nur möglich, wenn die Fluidströ ung, die das Mikroventil durchströmt, im wesentlichen auf Null zurückgegangen ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen¬ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikroventil zu schaffen, das mit den Methoden der Mikro echanik hergestellt werden kann, eine kurze Ansprechzeit und ein verbessertes dynamisches Verhalten aufweist und auch hohe Drücke an- und abschalten kann.

Diese Aufgabe wird durch ein mikrominiaturisierbares Ventil gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt das Ventil eine Druckausgleichskammer und zwei mit der Druckausgleichs¬ kammer in Fluidströ ungsverbindung stehende semiaktive Ven¬ tile. Ein erstes der semiaktiven Ventile ist derart zwischen der Druckausgleichskammer und einer ersten Fluidleitung an¬ geordnet, daß dieses gegen einen Druck in der ersten Fluid¬ leitung, der höher ist als derjenige in der Druckausgleichs-

kammer, durch Anlegen einer ersten Spannung an elektrisch leitfähige Bereiche dieses ersten semiaktiven Ventiles in seinem geschlossenen Zustand haltbar ist. Ein zweites der semiaktiven Ventile ist derart zwischen der Druckausgleichs¬ kammer und einer zweiten Fluidleitung angeordnet, daß dieses gegen einen Druck in der Druckausgleichskammer, der höher ist als derjenige in der Fluidleitung, durch Anlegen einer zweiten Spannung an leitfähige Bereiche des zweiten semi¬ aktiven Ventiles in seinem geschlossenen Zustand gehalten werden kann. Durch eine alternierende Abschaltung der Span¬ nungen, mit denen die beiden semiaktiven Ventile beauf¬ schlagt werden, kann die Durchströmung des Ventiles von der ersten Fluidleitung in die zweite Fluidleitung wunschgemäß gesteuert werden.

Gemäß einem bedeutenden Aspekt der Erfindung ist ein Ventil¬ kolben in einer von dem Druck der Druckausgleichskammer be¬ aufschlagbaren Art angeordnet, der in Abhängigkeit von dem Druck in dieser Druckausgleichskammer gegen einen Ventilsitz anlegbar ist, um eine Fluidverbindung zwischen einer dritten und vierten Fluidleitung in steuerbarer Weise zu öffnen und zu schließen. Bei dieser Struktur des mikrominiaturisierba- ren Ventiles kann die erste Fluidleitung mit einem Steuer¬ druck beaufschlagt werden und die zweite Fluidleitung zur Entlüftung der Druckausgleichskammer dienen. Entspechend der elektrischen Steuersignale für die beiden semiaktiven Ven¬ tile kann der Druck in der Druckausgleichskammer auf ein wählbares Druckniveau zwischen dem Steuerdruck und dem Ent¬ lüftungsdruck in der ersten bzw. zweiten Fluidleitung ein¬ gestellt werden, so daß also durch geeignete elektrische An- steuerung der beiden semiaktiven Ventile die Fluidverbindung zwischen der dritten und vierten Fluidleitung wunschgemäß in steuerbarer Weise geöffnet und geschlossen werden kann.

Bei geeigneter Dimensionierung der druckausgleichskammer- seitigen Fläche des Ventilkolbens bezogen auf die Fläche, die sich im Bereich eines Ventilsitzes zwischen der dritten und vierten Fluidleitung ergibt, ermöglicht das erfindungs-

gemäße mikrominiaturisierbare Ventil eine Verstärkungswir¬ kung dahingehend, daß mit einem vergleichsweise niedrigen Steuerdruck in der ersten Fluidleitung vergleichsweise hohe Drücke in der dritten und vierten Fluidleitung gesteuert werden können.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierba- ren Ventiles sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine QuerSchnittsdarstellung einer ersten Aus¬ führungsform des erfindungsgemäßen, mikromi- niaturisierbaren Ventiles;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines semiaktiven Ventiles, das bei dem erfindungsgemäßen mikro- miniaturisierbaren Ventil einsetzbar ist;

Fig. 3a eine zweite bis fünfte Ausführungsform des bis 3d semiaktiven Mikroventiles, welches bei dem erfindungsgemäßen Ventil einsetzbar ist;

Fig. 4 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen, mikrominiaturisierbaren Mikroventi¬ les;

Fig. 5 eine weitere, der Fig. 1 entsprechende Dar¬ stellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventiles;

Fig. 6 eine weitere, der Fig. 1 entsprechende Dar¬ stellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierbaren

Ventiles;

Fig. 7 eine weitere, der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventiles; und

Fig. 8 eine fünfte Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventiles.

Wie insbesondere in Fig. 1 zu sehen ist, umfaßt das dort ge¬ zeigte erste Ausführungsbeispiel eines mikrominiaturisierten Ventiles, das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, drei übereinander angeordnete und mitein¬ ander fest verbundene, im wesentlichen plattenförmige Körper Kl, K2, K3. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die drei Körper Kl, K2, K3 durch Siliziumwafer gebildet. Der erste und zweite Körper Kl, K2 sind elektrisch leitend mit¬ einander verbunden. Der dritte Körper K3 ist gegenüber dem zweiten Körper K2 elektrisch isoliert. Diese elektrische Isolation wird vorzugsweise dadurch realisiert, daß der dritte Körper K3 auf seiner dem zweiten Körper K2 zuge¬ wandten Seite mit einer Isolationsschicht ganzflächig über¬ zogen ist. Die Isolationsschicht kann aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen. Der zweite und dritte Körper K2, K3 sind vorzugsweise nur sehr gering oder überhaupt nicht von¬ einander beabstandet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbei¬ spiel sind diese beiden Körper K2, K3 durch anodisches Bon¬ den über eine elektrisch isolierende Pyrex-Zwischenschicht verbunden. Gleichfalls ist es möglich, die beiden Körper K2, K3 in einer plan aufeinanderliegenden Anordnung seitlich zu verkleben.

Der erste und/oder der zweite Körper Kl, K2 sind mittels photolithographischer Ätzverfahren derart strukturiert, daß sie miteinander eine Druckausgleichskammer 2 festlegen.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Druckausgleichs¬ kammer 2 in den ersten Körper Kl durch Ätzen eingeformt. Für den Fachmann auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie ist es jedoch offenkundig, daß der erste Körper Kl auch als ebene Platte ausgeführt sein kann, wenn die Druckausgleichskammer 2 in die dem ersten Körper Kl zugewandte Seite des zweiten Körpers K2 eingeätzt ist.

An dem dritten Körper K3 sind auf dessen dem zweiten Körper K2 abgewandten Seite vier Fluidleitungen Ll, L2 , L3, L4 be¬ festigt. Die Befestigung der Fluidleitungen kann mittels eines geeigneten Klebers erfolgen. Das gesamte Ventil kann allerdings auch in ein spezielles Gehäuse eingepaßt werden, welches sowohl die Verbindung der elektrischen Anschlüsse, als auch die Verbindung mit den Fluidanschlüssen herstellt.

In der Fluidverbindung zwischen der Druckausgleichskammer 2 und der ersten sowie zweiten Fluidleitung Ll, L2 liegen zwei semiaktive Ventile 3, 4. Das erste semiaktive Ventil 3 ist derart angeordnet, daß dieses einen Druck in der ersten Fluidleitung Ll, der höher ist als derjenige in der Druck¬ ausgleichskammer 2, durch Anlegen einer ersten Spannung UI an elektrisch leitfähige Bereiche (vergleiche Fig. 2) des Ventiles in einem geschlossenen Zustand haltbar ist. Das zweite semiaktive Ventil 4 ist bezogen auf die Einbaulage des ersten semiaktiven Ventiles 3 derart umgekehrt angeord¬ net, daß dieses gegen den Druck in der Druckausgleichskammer 2, der höher ist als derjenige in der zweiten Fluidleitung L2, durch Anlegen einer zweiten Spannung U2 an leitfähige Bereiche (vergleiche Fig. 2) des zweiten Ventiles in einem geschlossenen Zustand haltbar ist. Wie aus der Gesamtschau der Fig. 1 und 2 deutlich zu erkennen ist, haben das erste und das zweite semiaktive Ventil 3, 4 jeweils einen beweg¬ lichen Ventilbereich, der hier als Ventilklappe 5 ausgeführt ist, welche eine Öffnung 6 in einem benachbarten, festste¬ henden Flächenbereich 7 des jeweils benachbarten Körpers Kl bzw. K2 überdeckt. Der zweite und dritte Körper K2, K3 sind, wie bereits erwähnt wurde, von Isolationsschichten 9, 10 um-

geben .

Der zweite Körper K2 weist an seinem dem dritten Körper K3 zugewandten, feststehenden Flächenbereich 7 im Bereich der Öffnung 6 eine erste Elektrode in Form einer Metallisierung 11 auf.

Die Ventilklappe 5 hat zumindest an ihrer dem feststehenden Flächenbereich 7 des zweiten Körpers K2 gegenüberliegenden Seite eine vorzugsweise außerhalb der Isolationsschicht 10 angeordnete zweite Elektrode, die gleichfalls eine Metal¬ lisierung sein kann. An diese beiden Elektroden 11, 12 wird die Steuerspannung UI, U2 angelegt, mit der die Ventilklappe 5 elektrostatisch in einer gegen die Öffnung 6 abdichtend anliegenden Lage gehalten werden kann.

Das erste semiaktive Ventil 3 unterscheidet sich von dem so¬ eben beschriebenen zweiten semiaktiven Ventil 4 nur dadurch, daß dieses in umgekehrter Lage durch den zweiten und dritten Körper K2, K3 gebildet ist, wobei also der Körper K2 eine Ventilklappe 13 bildet, während der dritte Körper K3 die ge¬ genüberliegende Öffnung 14 definiert.

Der zweite Körper K2 hat eine sich von seiner einen Haupt¬ fläche bis fast an seine andere Hauptfläche erstreckende Ausnehmung 15 zur Bildung einer Membran 16, deren Mittelteil vorzugsweise einen von der Ausnehmung 15 umgebenen Ventil¬ kolben 17 bildet. Der Ventilkolben 17 ist durch die Membran 16 federnd aufgehängt.

Der dritte Körper K3 hat eine mittige Durchgangsöffnung 18 in Gegenüberlage zu dem Ventilkolben 17, wodurch der die Durchgangsöffnung 18 umgebende Bereich des Körpers K3, der dem Ventilkolben 17 benachbart ist, einen Ventilsitz 19 festlegt. Der dritte Körper K3 weist eine weitere Durch¬ gangsöffnung 19 auf, die sich von der dritten Fluidleitung L3 bis zu der Ausnehmung 15 in dem zweiten Körper K2 er¬ streckt. In der ersten Steuerleitung Ll herrscht der Steuer-

druck pl, in der zweiten Fluidleitung L2 besteht ein Ent¬ lüftungsdruck p4, in der dritten Fluidleitung L3 herrscht ein Zuluftdruck p2, während in der vierten Fluidleitung L4 ein Abluftdruck p3 vorliegt. An die vierte Fluidleitung kann ein Gefäß angeschlossen sein, dessen Druck durch das Ventil 1 gesteuert werden soll.

Bevor die Funktionsweise des Ventiles 1 gemäß Fig. 1 erläu¬ tert wird, soll zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 2 die Funktionsweise des bei dem Ventil 1 verwendeten semiaktiven Ventiles 3, 4 erläutert werden.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung U zwischen der zweiten Elektrode 12, der Klappe 5 und der gegenüberliegen¬ den Elektrode 11 an dem feststehenden Flächenbereich 7 des zweiten Körpers K2 wird die Klappe 5 mit dem elektrostati¬ schen Druck p auf den gegenüberliegenden Flächenbereich 7 gedrückt. Für die kondensatorähnliche Anordnung errechnet sich p folgendermaßen:

0 • β, U2

P = d*

In dieser Gleichung bezeichnet el die relative Dielektri¬ zitätskonstante des Isolatormediums und d die Dicke des Dielektrikums. Im Falle einer ca. 1 μm dicken Siliziumoxid¬ schicht als Isolation lassen sich bei Spannungen um 30 Volt elektrostatische Drücke im Bereich von einigen hundert mbar erzeugen.

Die Klappe 5 kann durch Anlegen einer Spannung gegenüber einem Überdruck auf der Seite der Öffnung 6 geschlossen ge¬ halten werden, bis Kräftegleichgewicht herrscht. Hierbei gilt:

(pl - p4) Fl = p F2

In dieser Gleichung bezeichnet Fl die Fläche der Öffnung 6 und F2 diejenige Fläche der Ventilklappe 5, die über die Öffnung 6 hinausgeht.

Je nach dem Verhältnis der Flächen F2/F1 kann der elektro¬ statische Druck von einigen hundert Milibar deutlich höhere pneumatische Druckdifferenzen (pl - p4) abblocken.

Schaltet man die Spannung U ab, so biegt sich die Klappe 5 von dem feststehenden Flächenbereich 7 weg, so daß ein Fluid (Luft oder ein isolierendes Hydraulikmedium) das semiaktive Ventil 3, 4 passieren kann.

Ausgehend von der Funktionsweise der semiaktiven Ventile 3, 4 soll nunmehr die Funktion des Ventiles 1 (Fig. 1) erläu¬ tert werden. Bei geschlossenem semiaktivem Ventil 4 auf der Entlüftungsseite, als der Seite der zweiten Fluidleitung L2, kann man durch Abschalten der Spannung UI das semiaktive Ventil 3 auf der Steuerdruckseite, d. h. der Seite der ersten Fluidleitung Ll öffnen, was einen Gasfluß bzw. all¬ gemein einen Fluidfluß in die Druckausgleichskammer 2 zur Folge hat, bis Druckausgleich erreicht ist. In diesem Sta¬ dium läßt sich das semiaktive Ventil 3 wieder schließen und elektrostatisch durch Anlegen der Spannung UI halten.

Durch ein Abschalten der Spannung U2 an dem zweiten semiak¬ tiven Ventil 4 bei geschlossenem Zustand des ersten semiak¬ tiven Ventiles 3 läßt sich die Druckausgleichskammer 2 ent¬ lüften bzw. auf das niedrigere Druckniveau p4 innerhalb der zweiten Fluidleitung L2 bringen. Nach erfolgtem Druckaus¬ gleich läßt sich dieses semiaktive Ventil 4 durch Anlegen der Spannung U2 wieder schließen, woraufhin der Zyklus von neuem beginnen kann. Um eine möglichst hohe Betriebsfreguenz erreichen zu können, sollte das Volumen der Druckausgleichs¬ kammer 2 möglichst gering sein.

Um das Ventil 1 gegen den Gegendruck geschlossen zu halten, ist keine elektrische Leistung erforderlich, da eine Lei¬ stungsaufnahme nur während des Schaltvorganges erfolgt.

Wenn in der dritten Fluidleitung L3 ein Überdruck p2 gegen¬ über dem Druck p3 in der vierten Fluidleitung herrscht und sich die Druckausgleichskammer 2 unter dem Steuerdruck pl von der ersten Fluidleitung Ll befindet, so wird der Ventil¬ kolben 17 auf den Ventilsitz 19 der Abluftdurchgangsöffnung 18 gepresst, so daß das pneumatische Ventil 1 geschlossen ist.

Wenn nun das zweite semiaktive Ventil 4 auf der Entlüf¬ tungsseite durch Abschalten der Spannung U2 geöffnet wird, so reduziert sich der Druck in der Druckausgleichskammer 2 vom Druck pl auf den Druck p4. Der Ventilkolben 17 wird durch die Druckdifferenz von der Kolbenunterseite und Kol¬ benoberseite nach oben ausgelenkt. Nun sind die dritte und vierte Fluidleitung L3, L4 miteinander verbunden, so daß also das Ventil 1 geöffnet ist.

Bei der Betriebsart eines solchen Ventils lassen sich prinzipiell zwei unterschiedliche Fälle unterscheiden:

In einer ersten Betriebsart kann der Druck in den Fluidlei¬ tungen L3 und L4 jeweils konstant sein, so daß mit dem Ven¬ til ein bestimmter, stationärer Fluid-Durchfluß geschaltet werden kann. Wenn dieser Betriebsfall vorliegt, so sind für die Berechnung des Steuerdrucks Pl keine zeitlich variablen Drücke notwendig, und das Ventil kann dadurch geschaltet werden, daß der Druck in der Druckausgleichskammer mittels den beiden semiaktiven Ventilen zwischen Steuerdruck Pl und Entlüftungsdruck P4 geschaltet wird.

In einer zweiten Betriebsart kann beispielsweise an die Fluidleitung L4 ein abgeschlossenes Behältnis angeschlossen sein, in dem der Druck durch das oben beschriebene Ventil vom Anfangsdurck P3 auf den höheren Enddruck P2 gesteigert

wird. Der Druck in einer der beiden Fluidleitungen L3 oder L4 ist dabei also ebenso wie der Druckfluß mit der Zeit variabel. Um den Druck in dem Behältnis wieder auf P3 redu¬ zieren zu können und somit den Ausgangszustand wieder errei¬ chen zu können, ist also ein zweites Ventil notwendig. Die Zuluftleitung L3 des zweiten Ventils wird mit dem Behältnis verbunden und durch das Öffnen des zweiten Ventils kann das Behältnis wieder entlüftet werden. Der Ausgangszustand ist also wiederhergestellt. Für die Größe des Steuerdrucks, der die jeweiligen Ventile wieder schließen muß, sind die varia¬ blen Drücke in den Fluidleitungen L3 und L4 jeweils zu be¬ rücksichtigen.

Je nach Dimensionierung der Fläche A 3 der Abluftdurchgangs¬ öffnung 18 und der Fläche A^ der Membran 16 läßt sich das in Fig. 1 gezeigte einfache logische Element als einfacher Schalter betreiben, bei dem der Steuerdruck pl und der Zu- luftdruck p2 identisch sind, oder auch als Verstärkerelement betreiben, bei dem man mit einem geringen Steuerdruck pl einen großen Zuluftdruck p2 schalten kann. Zum Schalten des Ventiles ist ein Mindestschaltdruck pl mj _ n erforderlich. Es gilt:

A 2

P i min = P 3 ( ) + P 2 ( -

A l H

mit A-L = A 3 + A 2

Bei der Wahl der Flächen A 3 , A^ ist man auf einen Bereich A 3 kleiner als A ]^ beschränkt, woraus aufgrund der obigen Gleichung zu entnehmen ist, daß der Steuerdruck pl min immer größer sein muß als der Abluftdruck p3. Andererseits läßt sich auch erkennen, daß der minimale Steuerdruck pl min durch geeignete Wahl der Flächen A lf A 3 deutlich geringer sein kann als der zu schaltende Zuluftdruck p2, woraus sich

die beschriebene Verstärkungsfunktion ergibt.

Die semiaktiven Ventile 3, 4 sind nicht auf die in Fig. 2 gezeigte Form beschränkt. In den Fig. 3a bis 3d sind Va¬ rianten semiaktiver Ventile gezeigt, bei denen die in Fig. 3a gezeigte Ausführungsform eine glatt an dem feststehenden Flächenbereich 7 anliegende Ventilklappe 5 hat. Anstelle der Klappe 5 gemäß Fig. 3a kann ein zweiseitig eingespannter Balken (nicht dargestellt) verwendet werden. Der feststehende Flächenbereich 7 kann, wie dies in Fig. 3b gezeigt ist, durch entsprechende Oberflächenausnehmungen 21 festgelegte Auflagestege 20 haben, an denen die Ventilklappe 5 anliegt. Durch diese Ausgestaltung läßt sich die Gefahr der Verschmutzung reduzieren und ein günstigerer Durchflu߬ widerstand des semiaktiven Ventiles erreichen. Die Absenkung der Oberflächenausnehmungen 21 sollte allerdings nicht tie¬ fer als 1 Im sein, um den erzeugbaren elektrostatischen Druck nicht zu stark zu vermindern.

Ebenfalls ist es möglich, anstelle der Klappe 5 eine Membran 22 auszubilden, die eine mittige Membranversteifung 23 um¬ fassen kann. Bei dieser Ausgestaltung wird man Öffnungen 24 in der Membran beabstandet zu der Öffnung 6 in dem Gegen¬ körper anordnen. Entsprechend der Ausgestaltung der Fig. 3b kann auch bei dieser membranartigen Ausführung des bewegli¬ chen Ventilbereiches eine Oberflächenausnehmung 25 vorgese¬ hen sein.

Eine zweite Ausführungsform des Ventiles 1 ist in Fig. 4 dargestellt. Mit der Ausführungsform der Fig. 1 überein¬ stimmende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß deren nochmalige Beschreibung entfallen kann. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 hat die Ausnehmung 15\' eine vergrößerte Lateralerstreckung, wodurch die Lateralerstrek- kung des Ventilkolbens 17\' entsprechend vermindert ist. Hierdurch ergeben sich breitere Membranbereiche 16\'.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel des Ventiles 1 gemäß

Fig. 5 unterscheidet sich dadurch von dem ersten Ausfüh¬ rungsbeispiel gemäß Fig. 1, daß hier die Membran 16\'\' ge¬ genüber der dem ersten Körper Kl zugewandten Hauptfläche des zweiten Körpers K2 durch eine Flächenausnehmung 26 rückge¬ setzt ist. Entsprechend ist die Ausnehmung 15", die den Ventilkolben 17" umschließt, mit geringerer Tiefe ausge¬ führt.

Die nachfolgend erläuterte vierte Ausführungsform des er¬ findungsgemäßen Ventiles stimmt mit Ausnahme der nachfolgend erläuterten Unterschiede mit der zweiten Ausführungsform überein, so daß auch hier übereinstimmende Bezugszeichen der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 4 und der vierten Ausfüh¬ rungsform gemäß Fig. 6 gleiche Teile bezeichnen. Bei dieser Ausführungsform des Ventiles 1 weist der dritte Körper K3 im Bereich des Ventilsitzes 19 eine Ringausnehmung 28 auf, die einen schmalen Auflagerand 27 für den Ventilkolben 17\' fest¬ legt. Dieser schmale Auflagerand 27 verringert nicht nur die Anfälligkeit des Ventiles 1 gegenüber Verunreinigungen, son¬ dern bewirkt insbesondere eine klare Definition derjenigen Fläche A 2 , über die der Druck p2 wirkt, in Abgrenzung zu derjenigen Fläche A 3 , über die der Druck p3 wirkt. Mit den so definierten Flächen A v A 2 , A 3 läßt sich die Kräftebilanz, die auf den Ventilkolben 17\' einwirkt, in Abhängigkeit von den Drücken pl, p2, p3 und p4 sowie den genannten Flächen aufstellen.

Derjenige Druck P auSg i - ct , / der in der Druckausgleichskammer 2 herrscht, für den sich der Ventilkolben 17\' weder nach oben noch nach unten bewegt, errechnet sich folgendermaßen:

ausgleich Ai - P 3 A 3 + P 2

Für die Flächen A A 2 und A 3 gilt folgender Zusammenhang:

A, = A 2 + A 3

Ist der momentane Druck p in der Druckausgleichskammer grö¬ ßer als der Gleichgewichtsdruck P ausgteιch , der sich aus der obigen Gleichung ergibt, so wird der Ventilkolben 17\' auf die Abluftöffnung 18 gegen den Auflagerand 27 gedrückt und die Verbindung zwischen Abluft, d. h. der vierten Fluid¬ leitung L4, und Zuluft, d. h. der dritten Fluidleitung L3, unterbrochen. Anderenfalls besteht eine Verbindung zwischen der dritten und vierten Fluidleitung L3, L4.

Bei festem Zuluftdruck p2 und festem Abluftdruck p3 müssen der Steuerdruck pl und der Entlüftungsdruck p4 folgenden Kriterien genügen:

P 4 A 1 < p3 A 3 + P 2 (Kriterium für offenes Ventil)

p3 A 3 + p2 A 2 < pl (Kriterium für geschlossenes Ventil)

Insgesamt gilt also :

p4 < p 3 ( Ai ) + 2 ( V A 1> P 1

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die dritte Fluidleitung L3 für die Zuluft vorgesehen, während die vierte Fluidleitung L4 für die Abluft dient. Ferner ist aus Platzgründen die Fläche A2 in der Regel deutlich größer als die Fläche A3. Für diesen Fall ergibt sich ein noch gün¬ stigeres Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Ventils 1, wenn die Zuluft durch die vierte Fluidleitung L4 zugeführt wird und die dritte Fluidleitung L3 als Abluftleitung ver¬ wendet wird. In diesem Fall ergibt sich bei unveränderten Verhältnissen der Flächen A 2 und A 3 zueinander eine höhere

Verstärkungswirkung, d. h. die Schaltbarkeit eines höheren Zuluftdruckes in der vierten Fluidleitung L4 bezogen auf den Steuerdruck pl.

Fig. 7 zeigt eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Ventiles, bei dem wiederum mit den vorhergehenden Ausfüh¬ rungsbeispielen übereinstimmende oder vergleichbare Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Diese Ausführungsform umfaßt vier Körper KO, Kl, K2, K3, von denen der dritte und vierte Körper K2, K3 miteinander die beiden semiaktiven Ventile 3, 4 festlegen, an die die Zu¬ luftleitung Ll und die Abluftleitung L2 angrenzen. Die Druckausgleichskammer 2 wird durch den Hohlraum zwischen dem zweiten und dritten Körper Kl, K2 festgelegt und grenzt an einen Membranbereich 29 des zweiten Körpers Kl an, wobei dieser Membranbereich 29 auf seiner der Druckausgleichs¬ kammer 2 abgewandten Seite einen Ventilkolben 30 bildet. Der Ventilkolben 30 liegt einem Auflagerand 31 eines Ventil¬ sitzes 32 gegenüber, der innerhalb des ersten Körpers KO durch eine entsprechende Ringausnehmuhg 33 gebildet ist. Die dritte und vierte Fluidleitung L3, L4 stehen mit der Außen¬ fläche des ersten Körpers KO in Verbindung und können, wie auch aufgrund der Beschreibung der oben erläuterten Ausfüh¬ rungsbeispiele offensichtlich ist, in Abhängigkeit von der Lage der Membran 29 miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden, welche ihrerseits von dem durch die beiden semiaktiven Ventile 3, 4 steuerbaren Druck in der Druckaus¬ gleichskammer 2 abhängt.

Obwohl diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventiles eine zusätzliche Schicht KO gegenüber den zuvor beschrie¬ benen Ausführungsbeispielen erfordert, wird sie als tech¬ nologisch günstiger eingestuft. Bei dieser Ventilstruktur müssen die dritte und vierte Schicht K2, K3 nur im Hinblick auf die Realisierung der semiaktiven Ventile 3, 4 bezüglich der Wahl der technologischen Schritte für die Ventilreali¬ sierung optimiert werden, während die anderen beiden Schichten bzw. Körper KO, Kl bezüglich der Wahl der Prozeß-

schritte nur für die Realisierung der Membranfunktion und Ventilsitzfunktion zu optimieren sind. Die Trennung der Funktionen der semiaktiven Ventile bzw. der Membran er¬ möglicht einen höheren Freiheitsgrad bei der Wahl der Prozeßparameter.

Bezogen auf Fig. 8 wird nun eine stärker abgewandelte Va¬ riante des erfindungsgemäßen Ventiles beschrieben. Dieses erfindungsgemäße Ventil ist als einfacher Schalter für einen in der Zuluftleitung Ll herrschenden, zu schaltenden Druck pl gegenüber einem in der Abluftleitung L2 herrschenden, ge¬ genüber dem zu schaltenden Druck pl geringeren Druck p2. Ge¬ genüber den vorherigen Ausführungsbeispielen entfallen die dritte und vierte Fluidleitung sowie die Membran- und Ven¬ tilkolbenstruktur innerhalb des zweiten Körpers K2.

Der Druck in der Druckkammer 2 läßt sich mittels der beiden semiaktiven Ventile 3, 4 wahlweise zwischen dem Zuluf druck pl und dem Abluftdruck p2 schalten, indem jeweils eines der beiden semiaktiven Ventile 3, 4 dadurch geöffnet wird, daß dessen Steuerspannung UI, U2 abgeschaltet wird, während das andere semiaktive Ventil geschlossen bleibt, indem dieses mit seiner Steuerspannung UI, U2 beaufschlagt wird. Die in Fig. 8 gezeigte Struktur eignet sich ausschließlich als pneumatisches Ventil. Als hydraulisches Ventil ist es dann einsetzbar, wenn das Volumen der Druckausgleichskammer 2 beispielsweise durch eine elastische Membran an der nach außen gewandten Fläche des ersten Körpers Kl variabel ist, so daß die Druckausgleichskammer ein veränderliches Hydrau¬ likvolumen aufnehmen kann.

Bei diesem Ventil kann die Membran den Teil einer Pumpe bil¬ den, die eine an die elastische Membran angrenzende Pump¬ kammer hat. Gleichfalls kann die Membran mit dem Kolben einer Pumpenstruktur verbunden sein.

Obwohl die erfindungsgemäßen Ventile vorzugsweise in Sili¬ zium implementiert werden, können für die Zwecke der Erfin-

düng auch andere Materialien eingesetzt werden, welche sich für Mikrostrukturierungen eignen.




 
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