Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Mikroventil nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 11. Es ist unter anderem schon ein Mikroventil aus verbundenen Schichten aus der DE- OS 42 21 089 bekannt. Das dort beschriebene Mikroventil besteht aus drei schichtförmig aufeinandergesetzten Bauteilen. Diese Bauteile bestehen aus Kunststoffmaterial oder aus Aluminium. Das Schließglied des Mikroventils besteht aus einem abgeformten Kunststoff, der metallisches Pulver enthält, und ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Zur Herstellung des Ventils werden Kunststofformprozesse, insbesondere Spritzgießen oder Prägen, zur Strukturierung verwendet. Die Festigkeit oder die chemische Widerstandsfähigkeit von den verwendeten Kunststoffen iεt nicht immer optimal an vorgegebene Arbeitsumgebungen angepaßt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Mikroventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß es besonders kostengünstig und auf einfache Art und Weise aus Metall herstellbar ist. Somit ergeben sich alle positiven Metalleigenschaften für das Mikroventil. Für die einzelnen metallischen, galvanisch abgeschiedenen Bauteile des Mikroventils können engere Toleranzen bei gleichzeitig

niedrigeren Fertigungskosten eingehalten werden als es bei der Fertigung bisher bekannter Mikroventile möglich ist.

Besonders vorteilhaft iεt bei diesem erfindungsgemäßen Mikroventil, daß eε keinen Auεgleich der Kräfte und Momente auf daε Ventilεchließelement beεitzt, wie er bei bekannten Mikroventilen auftritt. Druckauεgeglichene Mikroventile weiεen ansonsten große hochbelastete Membranen auf. Aus der erfindungsgemäßen Ausbildung des druckausgeglichenen Mikroventils ergibt sich der Vorteil, daß keine mechanisch hochbelaεtete Membran als Konstruktionselement notwendig ist. Die gegenseitige Abhängigkeit von Ventilhub, zu schaltendem Fluiddruck und den lateralen Abmessungen (Abmesεungen in x-,y-Richtung) des Mikroventils entfällt. Dadurch können auch Varianten mit kleinem Volumenstrom und großem Ventilhub gefertigt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Mikroventils möglich.

Besonderε vorteilhaft iεt eε, daß sehr einfach mit der galvanischen Metallabscheidung am Mikroventil verschiedene Zerstäuberεtrukturen integrierbar sind. So können problemlos metallische Schichten abgeschieden werden, die letztlich eine sogenannte S-Typ-Spritzlochscheibe oder eine Ringspaltdüse darstellen. Mit einer solchen galvanisch abgeschiedenen Ringspaltdüse am Mikroventil ist eine besonders gleichmäßige Feinstzerstäubung des Fluids möglich. Die Ringspaltdüεe weist dazu wenigstens einen ununterbrochenen Ringspalt auf, εo daß das abzuspritzende Fluid unmittelbar stromabwärts des Ringspaltes eine zusammenhängende, ringförmige Strahllamelle bildet. Diese Lamelle zerfällt in stromabwärtiger Richtung und mit zunehmendem Durchmesεer in kleinεte Tröpfchen.

Bei Verwendung von S-Typ-Spritzlochscheiben am Mikroventil ist von Vorteil, daß neben einer hohen Zerstäubungsgüte ausgefallene, bizarre Strahlformen erzeugt werden können. Diese Lochscheiben ermöglichen für Ein-, Zwei- und Mehrstrahlsprays Strahlquerschnitte in unzähligen Varianten, wie z. B. Rechtecke, Dreiecke, Kreuze, Ellipsen. Solche ungewöhnlichen Strahlformen erlauben eine genaue optimale Anpasεung an vorgegebene Geometrien, z. B. beim Einsatz des Mikroventils als Brennstoffeinspritzventil an verschiedene Saugrohrquerschnitte von Brennkraftmaschinen.

Gegenüber makroskopischen Einspritzventilen εind das kleine Bauvolumen, der geringere Leistungsbedarf deε Antriebs und die kürzere Schaltzeit vorteilhaft.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchε 11 hat den Vorteil, daß Teile von Mikroventilen in reproduzierbarer Weise äußerst präzise und kostengünstig in εehr großen Stückzahlen gleichzeitig herstellbar εind, die aufgrund ihrer metalliεchen Auεbildung bruchsicher sind und sehr einfach und kostengünstig, z. B. durch Kleben, Löten oder Schweißen, an anderen Ventilbauteilen wie z. B. einem Topfmagneten, montierbar sind. Die erfindungsgemaßen Verfahrensεchritte erlauben eine extrem große

Gestaltungsfreiheit, da die Konturen weitgehend frei wählbar sind. In vorteilhafter Weise werden dabei Verfahren wie die UV-Tiefenlithographie, das Trockenätzen oder das Ablatieren mit einer Mikrogalvanik (Metallabscheidung aus wäßrigen Elektrolyten) kombiniert, um dünne metallische Schichten mit immer neuen Strukturen aufeinander abzuscheiden. Dieser Prozeß iεt geeignet, um zwei, drei oder mehr Schichten für ein Mikroventil aufzubauen.

Durch die in den Unteranεprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im

Anεpruch 11 angegebenen Verfahrenε zur Herεtellung eines Mikroventilε möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, zwei Schichten des Mikroventils in einem Galvanikεchritt aufzubauen, wobei daε sogenannte "laterale Überwachεen" der Galvanik zur Anwendung kommt. Dabei wird ohne zuεätzlicheε Aufbringen einer Galvanikstartschicht und einer neuen Schicht Photoresistε daε Wachεen deε Metalls gezielt über die Photoresiststruktur der vorhergehenden Schicht fortgesetzt. Mit Hilfe des lateralen Überwachsenε wird eine deutliche Koεten- und Zeitersparnis erreicht.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus der Beschreibung.

Zeichnung

Ausführungεbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden

Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch ein ersteε Mikroventil, Figur 2 einen Schnitt durch ein zweiteε Mikroventil, Figur 3 einen Schnitt durch ein dritteε Mikroventil mit einer S-Typ-Spritzlochεcheibe, Figur 4 einen Schnitt durch ein viertes Mikroventil mit einer Ringspaltdüεe, Figur 5 einen Schnitt durch ein fünftes Mikroventil mit einer beweglichen Ringspaltdüse, Figur 6 einen Schnitt durch ein sechstes Mikroventil mit einer S- Typ-Spritzlochscheibe, Figur 7 schematisch die Prozeßfolge zur Herstellung eines Ventilschließelements mit integrierter Ringspaltdüse für ein Mikroventil und Figur 8 schematisch die Prozeßfolge des lateralen Überwachsens von galvanisch abgeschiedenen Schichten für ein Mikroventil.

97/02433 PC17DE96/00939

- 5 -

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in der Figur 1 im Schnitt dargestellte Mikroventil 1 besteht hauptsächlich aus zwei zusammenwirkenden Grundbauteilen, aus einem elektromagnetischen Antrieb 2 zur Betätigung des Mikroventils 1 und aus einem Ventilunterteil 17 mit einem die Ventilfunktion ausübenden Betätigungsteil 3. Der Antrieb 2 wird beispielsweise von einem zylindrischen Topfmagneten 5 gebildet, in dem eine Magnetspule 6 integriert ist. Die konzentrisch um eine Ventillängsachse 8 ausgebildete Magnetspule 6 ist dabei vollständig radial nach innen und außen von dem Topfmagneten 5 umschlossen. Auf der dem Betätigungsteil 3 gegenüberliegenden Seite des Mikroventils 1 verlaufen z. B. zwei Spulenanschlüεεe 9 auε dem Mikroventil 1 herauε, über die die Stromverεorgung der Magnetεpule 6 gewährleistet wird.

Da der Topfmagnet 5 im oberen Teil des Mikroventils 1 keine bewegten, dichtenden Teile aufweist, können zu desεen Herεtellung z. B. feinmechanische Fertigungsverfahren mit relativ geringen Toleranzanforderungen angewandt werden, wie z. B. Stanzen, Prägen, Pulverεpritzgießen, εpanabhebende Bearbeitungsschritte, Erodieren oder Metal-Injection- Moulding (MIM) -Verfahren. Das bekannte Metal-Injection- Moulding-Verfahren bietet sich besonders bei der Herstellung des Topfmagneten 5 an und umfaßt die Herstellung von Formteilen auε einem Metallpulver mit einem Bindemittel, z. B. einem Kunststoffbindemittel, beispielsweise auf konventionellen KunststoffSpritzgießmaschinen und das nachfolgende Entfernen deε Bindemittels und Sintern des verbleibenden Metallpulvergerüstε. Die Zuεammenεetzung deε Metallpulvers kann dabei auf einfache Weise auf gewünschte optimale magnetische Eigenschaften des Topfmagneten 5 abgestimmt werden.

Die Magnetspule 6 kann alε konventionell gewickelte Spule mit einer oder mehreren Windungen oder alε Stanzteil bzw. mit Hilfe eines mehrschichtigen Dünnschicht- oder Dickschichtaufbaus gefertigt werden. Wenn eine masεive, auε einer Windung bestehende Spule vorgesehen ist, kann diese auch in Form eines Metallstreifenε in den Topfmagneten 5 hineingepreßt werden. Die Magnetεpule 6 und der Topfmagnet 5 werden in dieεem Fall mit einer verεchleißfesten, isolierenden Schicht versehen. Der mit der Magnetspule 6 versehene Topfmagnet 5 ist mit einem Gehäuse 12 des

Ventilunterteils 17, das das Betätigungsteil 3 weitgehend auf der dem Topfmagneten 5 abgewandten Seite und radial umschließt, beispielεweise durch Kleben, Schweißen oder Löten, zusammengefügt. Daε Gehäuεe 12 ist also topf- bzw. napfförmig auεgebildet und weiεt somit einen Öffnungsbereich 14 auf, in dem das Betätigungsteil 3 eingebettet ist. Eine den stromabwärtigen axialen Abschluß des Mikroventilε 1 bildende Bodenplatte 15 deε Gehäuses 12 besitzt eine z. B. konzentrisch zur Ventillängsachse 8 auεgebildete Auslaßöffnung 16, die in direkter Verbindung mit dem

Öffnungsbereich 14 steht. Zusammen mit dem Betätigungsteil 3 bildet das Gehäuse 12 inklusive der Bodenplatte 15 und eventuell an der Bodenplatte 15 integrierter Lochscheiben bzw. Düsenplättchen das Ventilunterteil 17. Der Topfmagnet 5 ist letztlich mit seiner äußeren Begrenzung Teil des Gesamtgehäuses des Mikroventils 1.

Das in dem Öffnungsbereich 14 des Gehäuses 12 angeordnete Betätigungsteil 3 wird von zwei fest miteinander verbundenen metallischen Schichten gebildet, wobei die dem Topfmagnet 5 zugewandte Schicht einen plattenförmigen Anker 18 mit kreisförmigem Querschnitt und die zur Bodenplatte 15 hin zeigende Schicht ein scheibenförmigeε Ventilεchließelement 20 darεtellen. Der weichmagnetiεche Anker 18 weiεt z. B. einen größeren Durchmeεεer sowie eine größere axiale

Erstreckung (Dicke) als das Ventilschließelement 20 auf.

Zuεammen füllen diese beiden das Betätigungsteil 3 bildenden Elemente den Öffnungsbereich 14 zu z. B. rund 3/4 aus. Bei einem Gesamtdurchmesser des Mikroventils 1 von z. B. 10 bis 12 mm haben der Anker 18 z. B. einen Durchmeεser von 7,5 mm und das Ventilschließelement 20 z. B. einen Durchmesser von 5,5 mm. Die Dicken der Metallschichten, also des Ankers 18, des Ventilschließelementε 20 und der Bodenplatte 15 werden üblicherweiεe im Bereich von 0,1 biε 1 mm liegen. Diese Größenangaben zu den Abmesεungen deε Mikroventilε 1 sowie alle weiteren in der Beschreibung angegebenen Maße dienen nur dem besseren Verständnis und schränken die Erfindung in keiner Weise ein.

Das Betätigungsteil 3 besitzt eine direkte Verbindung zu dem Gehäuse 12, da zwischen einer sich zwiεchen dem Topfmagnet 5 und der Bodenplatte 15 erstreckenden ringförmigen Wandung 22 des Gehäuseε 12 und dem Anker 18 stegartige, blattfederähnliche Federelemente 24 vorgesehen sind. Die z. B. drei, mit einem Abstand von 120° zueinander angeordneten, durch den Öffnungεbereich 14 radial verlaufenden Federelemente 24 weisen beispielsweise eine Dicke von 0,1 mm und eine Breite von 0, 5 mm auf. Die Länge der Federelemente 24 ergibt sich zwangsläufig aus den Abmesεungen von Anker 18 und Wandung 22. An einer dem Topfmagneten 5 zugewandten, oberen Stirnseite 25 deε Ankerε 18 εind an dessen äußerem Umfangsbereich Anschlagnoppen 27 auεgebildet, die bei geöffnetem Mikroventil 1 am Topfmagneten 5 anεchlagen. Zweckmaßigerweise sind z. B. drei oder vier dieser Anschlagnoppen 27 am Anker 18 vorgesehen. Am Ventilεchließelement 20 verläuft ein in Richtung

Bodenplatte 15 zeigender Dichtring 28, der über eine untere Stirnfläche 29 des scheibenförmigen Ventilschließelements 20 hinausragt und daε eigentliche Ventilschließglied darstellt. Der Dichtring 28 ist als umlaufende, kreisringförmige, eine geringe Breite aufweisende Erhebung des

Ventilschließelementε 20 ausgebildet. Eine obere Stirnseite

30 der Bodenplatte 15 stellt zumindeεt im Bereich deε mit der Bodenplatte 15 korrespondierenden Dichtrings 28 des Ventilschließelementε 20 eine Ventilεitzflache dar.

Daε zu εchaltende Fluid, z. B. ein Brennεtoff wie Benzin, wird über einen oder mehrere alε Einlaß für ein Fluid dienende z. B. radial verlaufende Kanäle 32 in der Wandung 22 entsprechend der angegebenen Pfeilrichtung in den Hochdruckteil, d. h. in den Öffnungsbereich 14 des Mikroventils 1 gebracht. Wird das Ventil aktuiert, so übt der elektromagnetische Antrieb 2 eine Anziehungskraft auf das Betätigungεteil 3 auε. Der Dichtring 28 wird von der Ventilsitzfläche 30 abgehoben, und das Mikroventil 1 gibt einen Fluidstrom zur Auslaßöffnung 16 des Mikroventils 1 frei. Der Anker 18 schlägt dabei mit seinen Anschlagnoppen 27 an dem Topfmagneten 5 an. Der Hub des Betätigungsteilε 3 ergibt sich durch die Höhe des Öffnungsbereichs 14 und der Anschlagnoppen 27, die den Hub also begrenzen. Außerdem verhindern die Anschlagnoppen 27 ein Festkleben des Ankers 18 am Topfmagneten 5. Nach dem Abschalten des Topfmagneten 5 wird der Anker 18 mit dem Ventilschließelement 20 von dem Fluid im Öffnungsbereich 14 und den Federelementen 24 in Richtung der Ventilsitzfläche 30 bewegt und das Mikroventil 1 geschlossen. Der Weg zwischen den beiden beschriebenen Endstellungen des Betätigungsteilε 3 stellt somit den Hub dar. Die Offnungs- und Schließbewegung des Betätigungsteilε 3 ist mit einem axial verlaufenden Doppelpfeil kenntlich gemacht. Die schließende Kraft auf den Anker 18 ist die Federkraft der Federelemente 24 zuzüglich einer hydraulischen Kraft F, die gleich der Druckdifferenz Δp zwischen dem Öffnungsbereich 14 und dem Ventilausgang multipliziert mit der Fläche A des Ventilausgangs ist (F = Δp x πr ² ) . Das gesamte Mikroventil 1 weist z. B. eine axiale Erstreckung von 10 bis 15 mm auf, ist damit sehr kompakt und benötigt so einen nur εehr geringen Einbauraum. In der Verwendung deε Mikroventilε 1 z. B. alε

Brennstoffeinspritzventil an Brennkraftmaschinen ergibt sich gegenüber heutigen herkömmlichen Einspritzventilen aufgrund der geringen Abmesεungen des Mikroventils 1 eine Verkleinerung des Einbauraums um das Mehrfache auf 1/3 bis 1/10.

In den weiteren Ausführungsbeispielen der nachfolgenden Figuren sind die gegenüber dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gleichbleibenden bzw. gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In der Figur 2 ist ein Mikroventil 1 dargestellt, das sich von dem in der Figur 1 gezeigten Mikroventil im Bereich der Bodenplatte 15 unterεcheidet. Die Bodenplatte 15 wird nun z. B. mit einer zuεätzlichen metallischen Schicht am stromabwärtigen Ende des Mikroventils 1 ergänzt, die eine

Spritzlochplatte 34 darstellt. In ihrem zentralen, nahe der Ventillängsachse 8 liegenden Bereich weist die Spritzlochplatte 34 mindestens eine, typischerweise vier Abspritzlöcher 35 auf, die sich an die Auslaßöffnung 16 der Bodenplatte 15 anschließen. Die Spritzlochplatte 34 kann

Teil der einschichtigen Bodenplatte 15 und damit im Gehäuεe 12 integriert sein bzw. eine eigenständige Schicht zusätzlich zur Bodenplatte 15 darstellen oder die Bodenplatte 15 völlig ersetzen und somit die Ventilsitzfläche 30 mit aufweisen. Die Fläche eines

Öffnungsspaltes 37, der sich zwischen der Ventilsitzfläche 30 und dem Dichtring 28 bei geöffnetem Mikroventil 1 ergibt, ist zwei- bis viermal so groß wie die Summe der Querεchnittεflachen der Abεpritzlöcher 35 der Spritzlochplatte 34. Bei geöffnetem Mikroventil 1 stellt sich die folgende Druckverteilung ein. Im Öffnungsbereich 14 liegt der Systemdruck des Mikroventils 1 an; an dem Öffnungsspalt 37 fällt ein Teil des Druckes und an dem wenigstens einen Abspritzloch 35 fällt der Hauptteil des Druckes ab. Die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckteil des Mikroventils 1 und dem Raum zwischen dem Öffnungsspalt

37 und den Abεpritzlöchem 35 iεt hinreichend groß für ein sicheres Schließen des Mikroventils 1.

Das in der Figur 3 dargestellte Mikroventil 1 zeichnet sich besonders dadurch aus, daß im Bereich der Bodenplatte 15 ein modifizierter Abspritzbereich vorgesehen ist. Die Bodenplatte 15 ist z. B. in der Form einer ebenen, kreisförmigen, mehrschichtigen Scheibe (Multilayer- Spritzlochεcheibe 38) auεgeführt. Ähnlich wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann die

Spritzlochscheibe 38 Teil der Bodenplatte 15 sein bzw. die Bodenplatte 15 in dem Sinne ersetzen, daß die Spritzlochscheibe 38 selbst vollständig den Boden des Mikroventils 1 darstellt. Bei dem Ausführungεbeiεpiel in Figur 3 iεt die Spritzlochεcheibe 38 alε eine εogenannte "S- Typ-Scheibe" ausgestaltet, d. h. die Einlaß- und Auslaßöffnungen in der Spritzlochεcheibe 38 εind zueinander versetzt ausgebildet, wodurch sich zwangsläufig ein "S- Schlag" in der Strömung des die Spritzlochεcheibe 38 durchströmenden Fluids ergibt. Durch erfindungsgemäße

Verfahrenεεchritte zur Herεtellung des Mikroventils 1 und insbeεondere der Spritzlochεcheibe 38 ergibt sich eine Struktur, die auε mehreren Lagen zusammengesetzt ist. Auf die Herstellungsverfahren wird εpäter noch detailliert eingegangen, wobei an dieser Stelle bereits einige wichtige, sich aus dem Verfahren ergebende Merkmale der Spritzlochscheibe 38 genannt εeien.

Die Spritzlochscheibe 38 wird in z. B. drei metallischen Schichten durch galvanische Abscheidung aufgebaut. Aufgrund der tiefenlithographischen, galvanotechniεchen Herεtellung gibt es die besonderen Merkmale in der Konturgebung:

- Schichten mit über die gesamte Scheibenfläche weitgehend konstanter Dicke,

- durch die tiefenlithographische Strukturierung weitgehend senkrechte Einschnitte in den Schichten, welche die jeweils durchströmten Hohlräume bilden,

- gewünschte Hinterschneidungen und Überdeckungen der Einschnitte durch mehrschichtigen Aufbau einzeln strukturierter Metallschichten,

- Einschnitte mit beliebigen, weitgehend achsenparallele Wandungen aufweisenden Querschnittsformen, wie z. B. Rechteck, Vieleck, abgerundetes Rechteck, abgerundetes Vieleck, Ellipse, Kreiε usw.

Die einzelnen Schichten werden nacheinander galvanisch abgeschieden, so daß εich die Folgeschicht aufgrund galvanischer Haftung fest mit der darunterliegenden Schicht verbindet.

Üblicherweise besitzt die Spritzlochscheibe 38 eine obere Schicht 41 mit vier Einlaßöffnungen 42, eine untere Schicht

43 mit vier Auslaßöffnungen 44 und z. B. eine zwischen den Schichten 41 und 43 liegende mittlere Schicht 45. Die

Einlaßöffnungen 42 εind beispielεweiεe nahe der Ventillängεachεe 8 angeordnet, während die Auslaßöffnungen

44 mit größerem Abstand zur Ventillängsachse 8 und damit einem radialen Versatz zu den Einlaßöffnungen 42 vorgesehen εind. In der mittleren Schicht 45 erεtrecken sich vier radial verlaufende Kanäle 46, die eine direkte Verbindung von Einlaßöffnungen 42 und Auslaßöffnungen 44 bilden. Die Kanäle 46 besitzen z. B. eine εolche Größe, daß sie in der Projektion die Einlaßöffnungen 42 und die Auslaßöffnungen 44 gerade überdecken. Neben dem radialen Versatz können auch die Einlaßöffnungen 42 und die Auslaßöffnungen 44 mit einem zusätzlichen Versatz in Umfangsrichtung angeordnet εein.

Durch den εogenannten S-Schlag innerhalb der Spritzlochεcheibe 38 mit mehreren εtarken

Strömungsumlenkungen wird der Strömung eine starke,

zerεtäubungεfordernde Turbulenz aufgeprägt. Der Geschwindigkeitsgradient quer zur Strömung ist dadurch besonders stark ausgeprägt. Er ist ein Ausdruck für die Änderung der Geschwindigkeit quer zur Strömung, wobei die Geschwindigkeit in der Mitte der Strömung deutlich größer ist alε in der Nähe der Wandungen. Die auε den Geschwindigkeitsunterschieden resultierenden erhöhten Scherspannungen im Fluid begünstigen den Zerfall in feine Tröpfchen an den Auslaßδffnungen 44. Da die Strömung im Auslaß aufgrund der durch die Kanäle 46 dem Fluid aufgeprägten Radialströmungεkomponente einεeitig abgelöεt ist, erfährt sie wegen fehlender Konturführung keine Strömungsberuhigung. Eine besonderε hohe Geεchwindigkeit weist daε Fluid an der abgelösten Seite auf, während die Geschwindigkeit des Fluids zur Seite der Auslaßöffnungen 44 mit anliegender Strömung abfällt. Die zerstäubungsfördernden Turbulenzen und Scherεpannungen werden εomit im Austritt nicht vernichtet.

Spritzlochscheiben 38 in der Form von S-Typ-Scheiben können in vielfältiger Weise variiert werden. So iεt eε denkbar, anεtelle der jeweils eine Einlaßöffnung 42 mit einer Auslaßöffnung 44 verbindenden Kanäle 46 in der mittleren Schicht 45 nur einen zusammenhängenden z. B. kreisringförmigen oder quadratförmigen Kanal 46 vorzusehen. Alle Einlaßöffnungen 42 münden dann in diesen Kanal 46, und alle Auslaßδffnungen 44 führen auch wieder auε dem Kanal 46 heraus. Die Einlaßöffnungen 42 und die Auslaßöffnungen 44 können mit beliebig großem Versatz zueinander angeordnet sein. Über die Größe deε Verεatzeε können die Strahlrichtung und der Turbulenzgrad abgeεtimmt bzw. eingeεtellt werden. Neben den typischen quadratischen bzw. rechteckförmigen Querschnitten der Einlaßöffnungen 42, Auslaßöffnungen 44 und Kanäle 46 sind auch andere Querschnittsgeometrien einfach herstellbar, wie z. B. abgerundete Rechtecke oder Quadrate, Kreise, Kreissegmente, Ellipsen, Ellipsensegmente, Vielecke,

abgerundete Vielecke usw. Interessant kann auch die unterschiedliche Ausbildung von Einlaßöffnungen 42 und Auslaßöffnungen 44 an einer Spritzlochscheibe 38 sein. Geeignete Querschnittsveränderungen stellen z. B. die Übergänge von Quadrat zu Rechteck und umgekehrt, von Rechteck zu Kreis und umgekehrt, von Ellipse zu Kreis und umgekehrt dar. Zudem können die Einlaßöffnungen 42 und Auslaßöffnungen 44 problemlos unterεchiedliche Öffnungεweiten aufweisen.

Das in der Figur 4 gezeigte Mikroventil 1 weist eine in der Bodenplatte 15 integrierte Ringspaltdüse 48 auf. Die Ringspaltdüse 48 unterscheidet εich hauptsächlich von der zuvor beschriebenen Spritzlochscheibe 38 im Bereich des Fluidauslaεεeε. Anstelle mehrerer Auεlaßöffnungen 44 in der Bodenplatte 15 beεitzt die Ringspaltdüse 48, die ebenso wie die Spritzlochscheibe 38 z. B. dreischichtig ausgebildet ist, in der unteren Schicht 43 einen über den Umfang nicht unterbrochenen, engen Ringspalt 50. Der Ringspalt 50 weist dabei einen wesentlich größeren Durchmesser als eine

Ringöffnung 52 in der oberen Schicht 41 der Ringspaltdüεe 48 auf. Die Ringöffnung 52 kann auch durch mehrere Einlaßöffnungen 42 entεprechend der Anordnung in der Spritzlochεcheibe 38 (Figur 3) erεetzt werden. In der mittleren Schicht 45 ist wiederum wenigstens ein Kanal 46 vorgesehen, der eine Verbindung von Ringöffnung 52 und Ringspalt 50 herstellt.

Mit dem Ringεpalt 50 sind dünne Flüsεigkeitshohllamellen abspritzbar, die in stromabwärtiger Richtung hinter dem

Mikroventil 1 ausdünnen. Das Ausdünnen der Lamelle wird durch eine aufgrund der Tulpenform hervorgerufene entsprechende Zunahme des Lamellenumfangs begünstigt. Die freie Strahloberfläche wird so weiter vergrößert, und die Lamelle zerfällt in entsprechend kleinere Tröpfchen.

Außerdem wird die räumliche Tröpfchenpackungsdichte bei

größerem Lamellenquerεchnitt geringer, wodurch im Brennstoffspray Tropfchenwiedervereinigungen zu größeren Tropfen (Tröpfchenkoagulationen) weniger wahrscheinlich sind. Der Lamellenzerfall findet ab einem definierten Axialabstand zum Ringspalt 50 statt. Durch aerodynamische

Wechselwirkungen mit dem die Lamelle umgebenden Gaε wird die Lamellenoberfläche mit größerem Abεtand zur Ringεpaltdüεe 48 immer εtärker wellig (Taylorεche Schwingungen) . Die in der Lamelle vorhandene Inεtabilität wird mit wachεendem Abεtand vom Ringεpalt 50 immer größer bis zu einem Punkt, an dem ein schlagartiger Zerfall in kleinste Tröpfchen erfolgt. Von Vorteil ist es bei dieser Anordnung, daß außer der entεtehenden Welligkeit der Lamelle kaum andere Störungen auftreten. So werden beiεpielεweiεe in der εich εtromabwärtε verdünnenden Lamelle unerwünschte lokale Verdickungen, sogenannte Strähnen, vermieden.

Besonderε wichtig ist, daß die Lamelle über ihren Umfang ununterbrochen bleibt. Ansonsten entstehen an einer Lamellenrißstelle zwei freie Lamellenenden, welche εich nach der Phyεik der Oberflächenεpannung zu einer dicken Wulεt zuεammenziehen. Dieε hat an εolchen Orten größere Tropfen oder Strähnen zur Folge. Zudem wird bei einer Lamellenunterbrechung der tulpenförmige Lamellenverlauf geεtört.

Die zuvor genannten Vorteile der Ringspaltabspritzung treffen vollständig auch auf das in der Figur 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zu. Bei diesem Mikroventil 1 liegt die mehrεchichtige Bodenplatte 15 bzw. Ringεpaltdüεe 48 in geteilter Form vor. Ein äußerer Ringbereich 54 ist als Teil des Gehäuseε 12 feεt mit der Wandung 22 und dem Topfmagnet 5 verbunden. Dagegen liegt ein innerer Düεenbereich 55 vollständig getrennt von dem äußeren Ringbereich 54 vor, wobei der Düsenbereich 55 allerdingε Teil des beweglichen

Betätigungsteils 3 ist. Somit macht der Düsenbereich 55 beim

Öffnen und Schließen deε Mikroventilε 1 die Hubbewegung deε Ventilschließelements 20 mit. Sowohl die Außenkontur des Düsenbereichs 55 als auch die Innenkontur des Ringbereichs 54 sind z. B. gestuft ausgeführt, wobei der Strömungsquerschnitt zwischen dem Düsenbereich 55 und dem

Ringbereich 54 nahe deε Ventilεchließelementε 20 am größten iεt. Dieεer größte Strömungεquerεchnitt kann auch, wie in der Figur 5 gezeigt, in der Bodenplatte 15 vorgesehen sein. In stromabwärtiger Richtung verringert sich die Öffnungsweite z. B. schrittweise mit jeder neuen Schicht bis hin zur Weite des engen Ringspaltε 50 in der unteren Schicht 43.

Der Ringεpalt 50 iεt mit einem εolch großen Durchmeεεer ausgeführt, daß er ungefähr die gleiche Größe (Durchmesεer) wie der Dichtring 28 deε Ventilεchließelementε 20 aufweist.

Dies führt dazu, daß die zum Schließen des Mikroventils 1 zur Verfügung stehende hydrostatische Kraft von der gesamten

Druckdifferenz zwischen dem Systemdruck und dem Druck außerhalb des Mikroventils 1 und nicht nur von einem Teil dieser Differenz profitiert. Das Mikroventil 1 läßt sich somit schneller schließen.

In der Figur 6 iεt ein Mikroventil 1 dargestellt, das εich von allen vorherigen Auεführungεbeispielen in zwei Merkmalen unterscheidet, und zwar zum einen bei der Fluidzufuhr und andererseitε bei der Ausbildung des Ventilschließelements 20. Bei diesem Mikroventil 1 ist der wenigstens eine Kanal 32' zur Zufuhr des Fluids zu dem Öffnungsbereich 14 des Gehäuseε 12, in dem daε Betätigungεteil 3 axial bewegt wird, parallel zur Ventillängsachse 8 ausgebildet. Der Kanal 32' verläuft dabei durch den Topfmagneten 5 z. B. über desεen volle axiale Erεtreckung und mündet dann in den Öffnungεbereich 14. Ein solcher Kanal 32' kann z. B. in Umfangsrichtung gesehen genau dort in den Öffnungsbereich 14 münden, wo stromabwärts im Öffnungsbereich 14 ein

Federelement 24 folgt. Das Ventilschließelement 20 besitzt bei diesem Ausführungεbeispiel des Mikroventils 1 keinen Dichtring. Vielmehr liegt das plättchenförmige Ventilschließelement 20 mit seiner unteren Stirnfläche 29 im geschloεεenen Zuεtand des Mikroventils 1 unmittelbar auf der oberen Stirnseite 30 (Ventilsitzfläche) der Bodenplatte 15 auf. Allerdings ist der Außendurchmesεer deε Ventilschließelements 20 nur geringfügig größer als der Durchmesεer der zentralen Auslaßöffnung 16 in der Bodenplatte 15, so daß das Ventilschließelement 20 nur mit einem kleinen äußeren Ringdichtbereich 57 dichtend an der Ventilsitzfläche 30 anliegt. Dieser Ringdichtbereich 57 muß jedoch wiederum so groß sein, daß eine vollständige Dichtheit am geschloεsenen Mikroventil 1 gewährleistet ist. Ansonsten ist das Mikroventil 1 mit einer Spritzlochscheibe 38 (S-Typ-Scheibe) ähnlich dem dritten Ausführungsbeiεpiel (Figur 3) ausgestattet, wobei der S-Schlag der Strömung durch Pfeile kenntlich gemacht ist.

Eine andere, nicht dargestellte Ausführungsvariante des

Mikroventils 1 betrifft den Einsatz eines Permanentmagneten. Ein z. B. an der Bodenplatte 15 angeordneter Permanentmagnet sorgt dafür, daß im stromlosen Zustand des elektromagnetischen Antriebs 2 der Anker 18 mit dem Ventilschließelement 20 zur Ventilsitzfläche 30 angezogen wird und somit das Mikroventil 1 geschlossen ist. Wird das Mikroventil 1 aktuiert, so zieht der Topfmagnet 5 den Anker 18 mit dem Ventilschließelement 20 an und hebt dabei die Wirkung des Permanentmagneten teilweise auf. Das Mikroventil 1 ist nun geöffnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auf die Federelemente 24 verzichtet werden.

Anhand der Figuren 7 und 8 wird ein erfindungsgemäßeε, zur Herstellung des Mikroventilε 1 bzw. des Ventilunterteils 17 besonders geeignetes und bevorzugtes Herstellungsverfahren näher verdeutlicht. Dabei zeigen die Figuren nicht genau die

in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele des Ventilunterteils 17 mit den entsprechenden gewünschten Konturen, sondern nur das Herstellungsprinzip verdeutlichende Anordnungen. Die erfindungsgemäßen Herstellungεverfahrenεschritte lassen jedoch eine

Herstellung aller gezeigten Ausführungsbeispiele jederzeit zu.

Aufgrund der hohen Anforderungen an die Strukturdimensionen und die Präzision von Einspritzdüεen bzw. -ventilen gewinnen Mikroεtrukturierungsverfahren heute eine zunehmende Bedeutung für ihre großtechnische Herstellung. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Mikroventilen bzw. von einzelnen Bauteilen an Mikroventilen vorgeschlagen, die auf der sukzeεεiven Anwendung von photolithographischen Schritten (UV- Tiefenlithographie) und anschließender Mikrogalvanik beruht. Charakteristisch für daε Verfahren ist, daß es auch in großflächigem Maßstab eine hohe Präzision der Strukturen gewährleistet, so daß es ideal für eine Massenfertigung mit sehr großen Stückzahlen einsetzbar ist. Auf einem Wafer (Nutzen) kann eine Vielzahl von Ventilunterteilen 17 für Mikroventile 1 gleichzeitig mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte gefertigt werden.

Ausgangspunkt für das Verfahren ist eine ebene und stabile Trägerplatte (Substrat) 60, die z. B. aus Metall (Kupfer) , Silizium, Glas oder Keramik bestehen kann. Die üblichen Dicken dieser Trägerplatte 60 liegen zwischen 500 μm und 2 mm,- sie haben allerdings keinen Einfluß auf die folgenden Verfahrensεchritte. Nach der Reinigung der Trägerplatte 60 wird zunächst eine metallische (z. B. Cu, Ti) oder polymere Opferεchicht 61 durch Aufdampfen, Sputtern, Aufεchleudern, Sprühen oder ein andereε geeigneteε Verfahren aufgetragen. Dieεe Opferεchicht 61 wird nach der geεamten

Batchprozeεεierung deε Nutzenε (Wafers) zum Zwecke einer

einfachen Vereinzelung und deε Ablösenε der Bauteile, hier also der Ventilunterteile 17, von der Trägerplatte 60 selektiv z. B. durch Ätzen entfernt. Auf die Opferschicht 61 wird eine metallische Galvanikstartεchicht 62 (z. B. Cu) durch Sputtern, Aufdampfen oder ein naßchemiεcheε Verfahren (stromloεe Metallabεcheidung) aufgebracht. Die Galvanikstartschicht 62 wird zur elektrischen Leitung für die spätere Mikrogalvanik benötigt, bei der metallische Schichten galvanisch in strukturierten Photoresiεtschichten abgeschieden werden. Die Galvanikstartεchicht 62 kann auch unmittelbar als Opferschicht 61 dienen.

Nach dieser Vorbehandlung der Trägerplatte 60 wird auf die Galvanikstartεchicht 62 in einem nächεten Prozeßεchritt ein solcher oben erwähnter Photoresiεt (Photolack) 63 ganzflächig aufgebracht. Dafür bieten εich beεonderε drei verεchiedene Varianten an:

1. Auflaminieren eines Festreεiεtε bei z. B. rund 100°C, 2. Aufεchleudern oder Sprühen eineε Flüεsigresistε oder

3. Aufεchleudern oder Sprühen eineε Polyimidε in flüssigem

Zustand.

Der Photoresist 63 wird dabei in einer oder mehreren

Schichten aufgetragen.

Nach dem Trocknen liegt der Photoreεiεt 63 bei allen drei Varianten in fester Form vor. Die Dicke des Photoresists 63 εollte dabei der Dicke der Metallεchicht entεprechen, die in dem εpäter folgenden Galvanikprozeß realiεiert werden soll, also z. B. der Dicke der unteren Schicht 43 der

Spritzlochscheibe 38 (Figur 3) . Typischerweiεe werden Schichtdicken zwiεchen 10 und 300 μm angestrebt je nach gewünschter Dicke der unterschiedlichen Schichten des Ventilunterteils 17. So werden die Schichten der Spritzlochscheibe 38 gewöhnlich eine geringere Dicke als z. B. der Anker 18 aufweisen. Die zu realisierende

Metallεtruktur soll mit Hilfe einer photolithographischen Maske invers in dem Photoreεist 63 übertragen werden. Dabei besteht zum einen die Möglichkeit, den Photoresist 63 direkt über die Maske mittels UV-Belichtung (z. B. λ = 200 nm bis 500 nm) zu belichten (UV-Tiefenlithographie) . Eine andere Möglichkeit der Strukturierung des Photoresistε 63 εieht vor, daß auf dem Photoreεiεt 63 ein Oxid (z. B. Siθ2) oder ein Nitrid abgeεchieden wird, welcheε photolithographiεch strukturiert alε Maεke für einen Trockenätzprozeß deε Photoreεiεts 63 dient. Außerdem bietet sich eine

Laserablation an, wobei nach dem Aufbringen einer Maεke exploεionεartig Material des Photoresists 63 mit Hilfe eines Laserε abgetragen wird.

Nach der Entwicklung des UV-belichteten Photoresists 63 bzw. der Anwendung der anderen erwähnten Verfahren (Trockenätzen, Ablatieren) ergibt sich eine durch die Maske vorbestimmte gewünschte Struktur im Photoresist 63. Diese Struktur im Photoresiεt 63 stellt eine Negativεtruktur zur späteren metallischen Schicht 43 der Spritzlochscheibe 38 dar (Figur 3) . Analog handelt eε εich bei den anderen Auεführungεbeispielen auch um die jeweils untere Schicht, mit der der Aufbau des geschichteten Ventilunterteils 17 beginnt. Bei dem nun folgenden Verfahrensschritt des Galvanisierens wird in den entεtandenen Resistgräben aus einem wäßrigen Elektrolyten ein Metall 65 oder eine metallische Legierung abgeschieden. Das Metall 65 legt sich durch das Galvaniεieren eng an die Kontur der Negativεtruktur des Photoresiεtε 63 an, so daß die vorgegebenen Konturen formtreu in ihm reproduziert werden. Um mehrschichtige Strukturen herzustellen, sollte die Höhe der Galvanikschicht des Metalls 65 der Höhe des Photoresists 63 entsprechen. Die Wahl des abzuscheidenden Materials hängt von den jeweiligen Anforderungen an die Schicht ab, wobei besonders die Faktoren mechanische Festigkeit, chemische Beständigkeit, Schweißbarkeit und andere gewichtig sind.

Üblicherweise kommen Ni, NiCo, NiFe, Cu, Fe, Co, Zn oder Au zum Einsatz; es sind aber auch andere Metalle und Legierungen denkbar.

Um die Struktur des kompletten Ventilunterteils 17 zu realisieren, müsεen die Schritte ab dem Aufbringen der Galvanikεtartεchicht 62 entεprechend der Anzahl der gewünεchten Schichten wiederholt werden. Die einzelnen Metallschichten werden also nach der Resiεtstrukturierung immer wieder aufeinander abgeschieden und durch metallisches Haften aneinandergehalten. Für die Schichten und Bauteile eines Ventilunterteilε 17 können durchauε auch unterεchiedliche Metalle 65 verwendet werden, εo daß z. B. der Anker 18 und die Spritzlochεcheibe 38 keineswegs aus dem gleichen Material bestehen müsεen. Es können vor der nächsten galvanischen Metallabscheidung zuεätzlich zu den Galvanikεtartεchichten 62 weitere z. B. durch PVD (Phyεical Vapour Depoεition) oder Naßchemie erzeugte haftvermittelnde Schichten auf den Photoresist 63 und/oder auf die vorherige metallische Schicht aufgetragen werden, womit die Qualität der Verbindungen der einzelnen Schichten untereinander verbesεert werden kann.

Abεchließend erfolgt daε Vereinzeln der Ventilunterteile 17. Dazu wird die Opferεchicht 61 weggeätzt, wodurch die

Ventilunterteile 17 von der Trägerplatte 60 abheben. Danach werden die Galvanikstartschichten 62 durch Ätzung entfernt und der verbliebene Photoresiεt 63 aus den Metallstrukturen herausgelöεt. Dieε kann z. B. durch eine KOH-Behandlung oder durch ein Sauerεtoffplaεma bzw. mittels Lösungsmitteln (z. B. Aceton) bei Polyimiden ermöglicht werden. Diese Prozesεe deε Herauεlöεenε deε Photoreεiεtε 63 sind allgemein unter dem Oberbegriff "Strippen" bekannt. Als alternative Lösung iεt auch ein mechaniεcheε Löεen von der Trägerplatte 60 bei geeigneter Wahl der Galvanikεtartεchicht 62 z. B.

mittels Magneten denkbar. Eine Vereinzelung mittels Ultraschall ist ebenεogut denkbar.

In der Figur 7 wird deutlich, daß es besonders zweckmäßig ist, die metallische Schicht für die Federelemente 24 zwischen dem Anker 18 und dem Ventilschließelement 20 abzuscheiden. Entsprechend der gewünschten Anzahl von Federelementen 24 ragt diese Metallschicht in einigen Bereichen radial über die äußere Begrenzung des Ankers 18 hinaus.

Sollen Strukturen mit geneigten oder gerundeten Seitenwänden gefertigt werden, kann dies durch das sogenannte laterale Überwachεen 68 geεchehen. Bei dieser Technik können zwei gewünschte Schichten des Ventilunterteilε 17 in einem Schritt durch galvaniεche Abεcheidung ausgebildet werden. In der Figur 8 wird das laterale Überwachsen 68 anhand zweier mit den Bezugszeichen 41 und 45 bezeichneter Schichten verdeutlicht. Das galvanisch abzuscheidende Metall 65 wächst erst in der bekannten Form um die Photoresiststruktur 63 der Schicht 45 bis zur Oberkante des Photoresistε 63 und danach über den Photoresist 63 hinaus. Das Überwachsen 68 der Photoreεiεtεtruktur 63 erfolgt in horizontaler und vertikaler Richtung ungefähr in gleicher Größenordnung. Dieεeε partielle Überwachεen 68 erεetzt daε Aufbringen einer weiteren Galvanikεtartschicht 62 auf dem Photoresist 63 und einer nächsten Galvanikschicht an sich, da zwei Schichten 45, 41 des Ventilunterteils 17 in einem Galvanikschritt erzeugt werden. Auf diese Weiεe können z. B. ganz gezielt die Einlaßöffnungen 42 in der oberen Schicht 41 der Spritzlochεcheibe 38 (Figur 3) hergeεtellt werden. Daε laterale Überwachεen 68 muß zu bestimmten Zeitpunkten entsprechend abgebrochen werden, um die gewünschten Öffnungsgrößen zu erhalten. Andererseits kann aber auch eine weitere Photoresiεtεchicht 63 in der axialen Höhe des Überwachsenε 68 vorgeεehen sein, die letztlich als Anschlag für das laterale Überwachsen 68 der Schicht 41 dient und

eine genau definierte Größe der Einlaßöffnungen 42 garantiert.

Zum Trennen von Strukturen, die später gegeneinander beweglich (siehe Figur 5) sein sollen, wird eine geeignete Opferεchicht 61' an den zu trennenden Stellen eingesetzt, wie in der Figur 7 zu sehen ist. Dies kann insbeεondere eine durch PVD erzeugte Titan- oder Kupferεchicht sein, die vor dem Abscheiden der folgenden metallischen, später zum beweglichen Teil (Düsenbereich 55) deε Mikroventils 1 gehörenden Schicht auf die vorangegangene Schicht des späteren festen Ringbereichε 54 aufgetragen wird.

Vor oder nach dem Entfernen der Opferεchichten 61, 61', der Galvanikεtartschichten 62 bzw. des Photoreεiεts 63 können z. B. die notwendigen Fügeprozesse (z. B. Kleben, Schweißen, Löten) zum Verbinden des Ventilunterteils 17 und des Topfmagneten 5 vorgenommen werden.