Mikroventil

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Mikroventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist schon ein solches Mikroventil aus der GB 21 55 152 A bekannt/ das in der aus der Halbleitertechnik bekannten Mehrschichtenstruktur hergestellt ist. Dieses mikromechanische Ventil weist im wesentli¬ chen drei Schichten auf, von denen in einer Trägerschicht aus Sili¬ zium ein Einlaß und ein Auslaß sowie ein Ventilsitz ausgebildet sind und an diese Trägerschicht eine Zwischenschicht sowie an letztere eine äußere Deckschicht anschließen, wobei diese Schichten einen die Druckmittelverbindung zwischen den beiden Anschlüssen herstellenden Raum formen. Bei diesem Mikroventil ist die Deckschicht zugleich als Membran ausgebildet, in die auch ein dem Ventilsitz zugeordnetes Schließglied integriert ist. Beim Betrieb dieses Mikroventils muß eine auf der Membran angeordnete elektrostatische Betätigungsein¬ richtung nicht nur die Kräfte der federnden Membran überwinden, son¬ dern auch den im Eingang anstehenden Druck des Fluids, da die den Ventilsitz schließende Membran diesem Druck gegenüber unausgeglichen

ist. Dies führt dazu, daß sich das Mikroventil nur für relativ klei¬ ne Drücke eignet und somit eine relativ geringe hydraulische Schalt¬ leistung erbringt. Auch das dynamische Verhalten des mikromechani¬ schen Ventils wird dadurch nachteilig beeinflußt. Die druckunausge¬ glichene Bauweise des Mikroventils führt zudem zu relativ großen Stellkräften und damit zu relativ aufwendigen Betätigungseinrichtun¬ gen.

Ferner wird auf die Druckschriften EP 0 250 948 A2 und EP 0 261972 A2 hingewiesen, in denen die Technologie zur Herstel¬ lung solcher Mikroventile genauer beschrieben ist und dargelegt wird, wie in Mehrschichtenstrukturen dreidimensionale Formen heraus¬ gearbeitet werden können, so daß durch Kombination verschiedener Struktur eta ls unterschiedliche mechanische Elemente möglich sind. Dadurch läßt sich das Mikroventil als 2- oder 3-Wegeventil ausbil¬ den; auch kann die Membran in einer Zwischenschicht angeordnet sein.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Mikroventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß es auf relativ einfache und kostengünstige Weise eine statisch druckausgeglichene Bauart des Mikroventils ermöglicht. Durch diese druckausgeglichene Bauweise lassen sich höhere Drücke steuern bzw. kann mit kleineren Stellkräften gearbeitet werden. Die fluidische Leistung des Mikro¬ ventils steigt dadurch beträchtlich, wobei auch eine hohe Dynamik erzielbar ist, da nur relativ kleine Massen zu bewegen sind. Diese druckausgeglichene Bauweise eignet sich besonders zur Herstellung mit mikromechanischen Technologien, so daß neben geringen Stückkos¬ ten eine hochgenaue Fertigung und Eeproduzierbarkeit der Teile auch bei kleinen Dimensionen möglich ist. Die Bauart des Mikroventils

läßt sich optimal auf die "Möglichkeiten der verschiedenen mikrome¬ chanischen Fertigungstechnologien zuschneiden. Ferner lassen sich derartige Mikroventile beliebig verschalten und auch zu sogenannten Ventilreihen zusammenfügen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Mikroventils möglich. Vor allem ermöglichen diese Aus¬ führungen eine relativ einfache und kostengünstige Herstellung, un¬ terschiedliche Bewegungsrichtungen des Schließglieds, wobei das Schließglied sowohl in Strömungsrichtung als auch entgegen Strö¬ mungsrichtung öffnen kann sowie verschiedene elektrische Betäti¬ gungsarten.

Äußerst günstig ist eine Ausbildung nach Anspruch 5, wodurch ein Druckkraftausgleich zusätzlich zur Zulaufseite auch auf der Ablauf¬ seite erreichbar ist. Vorteilhaft ist ferner eine Ausbildung nach Anspruch 12, die sich besonders gut für beide Durchflußrichtungen eignet; dabei kann gemäß Anspruch 14 ein Antrieb in beiden Richtun¬ gen erzielt werden, wodurch Leistung und Dynamik weiter gesteigert werden kann.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Mikroventil in verein¬ f chter Darstellung und vergrößertem Maßstab und Figur 2 bis 5 ein zweites bis fünftes Ausführungsbeispiel eines Mikroventils.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein einzelnes Mikroventil 10 in Mehrschichtenstruktur in stark vergrößerter und vereinfachter Darstellung, wobei die einzelnen Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sind. Für die Herstellung dieser Mehrschich¬ tenstruktur werden dabei Fertigungstechnologien verwendet, wie sie an sich aus der Halbleitertechnologie bekannt sind, insbesondere un¬ ter dem Namen Silizium-Technologie, Dünnschicht-Technologie oder Dickschicht-Technologie. Diese Technologien zur Herstellung von be¬ stimmten dreidimensionalen Formen in einer Mehrschichtenstruktur und deren Möglichkeit, durch Strukturdetails bestimmte mechanische Ele¬ mente herauszubilden, wird hierbei als bekannt vorausgesetzt.

Das Mikroventil 10 weist im wesentlichen eine Trägerschicht 11, eine Zwischenschicht 12 sowie eine Deckschicht 13 auf. Dabei ist in der Zwischenschicht 12 durch eine ringnutförmige Vertiefung 14 ein ring¬ förmiger Raum 15 ausgebildet, der nach oben hin durch die Deck¬ schicht 13 begrenzt wird und der über einen in der Zwischenschicht 12 verlaufenden Kanal 16 mit einem Zulauf-Anschluß 17 in Verbindung steht. Der relativ dünnwandige Boden der Vertiefung 14 bildet eine federnde Ringmembran 18, die einen demgegenüber dickeren, zentral liegenden Schichtbereich 19 umgibt. Die Ringmembran 18 ist somit in die Zwischenschicht 12 integriert und begrenzt den von der Vertie¬ fung 14 gebildeten Räum 15.

Die Deckschicht 13 weist einen Auslaß-Anschluß 21 auf, der sich nach innenhin zu einer flachen, scheibenförmigen ^" Ausnehmung 22 erweitert. Diese Ausnehmung 22 bildet an der Deckschicht 13 auf der zur Zwi¬ schenschicht 12 hin gewandten Seite einen ringförmigen Ventilsitz 23. In der gezeichneten, nicht betätigten Stellung des Mikroventils 10 liegt an diesem Ventilsitz 23 ein tellerförmiges Schließglied 24

an, das mit einer gegenüber dem Durchmesser des Ventilsitzes 23 we¬ sentlich verringerten Fläche 25 am Schichtbereich 19 befestigt ist. Das plattenformige Schließglied 24 besteht dabei aus einer gegenüber der Zwischenschicht 12 zusätzlichen Schicht aiiβgleichem oder anderem Material. Dabei sind die Dicken von Schichtbereich 19 und Schlie߬ glied 24 so gewählt, daß sie zusammen der Dicke der Zwischenschicht 12 entsprechen.

Bei dieser Bauweise des Mikroventils 10 weist das bewegliche Bauele¬ ment aus Ringmembran 18, Schichtbereich 19 und Schließglied 24 eine Druckfläche 26 auf, deren Größe im wesentlichen von der Größe der Ringmembran 18 bestimmt wird. Zugleich ist an diesem beweglichen Bauelement 18, 19, 24 eine in entgegengesetzter Richtung beauf¬ schlagte Druckausgleichsfläche 27 ausgebildet, deren Größe einer¬ seits vom Ventilsitz 23 und andererseits von der Fläche 25 begrenzt wird. Diese beiden Flächen 26 und 27 sind so aufeinander abgestimmt, daß sie im wesentlichen gleich groß sind.

Eine mit dem Rücklaufdruck p2 beaufschlagte Fläche 30 auf der Ober¬ seite des plattenförmigen Schließgliedes 24 wird von dem Ventil¬ sitz 23 begrenzt. Eine mit dem Druck pO beaufschlagte Fläche 31 auf der Unterseite des beweglichen Bauelementes 18, 19, 24 wird vom wirksamen Durchmesser 32 der Rtng-membran 18 bestimmt.

Für einen möglichst vollständigen Druckkraftausgleich am beweglichen Bauelement 18, 19, 24 müssen die Flächen 30 und 31 im wesentlichen gleich groß sein. Dabei wird vorausgesetzt, daß die Drücke pO unter¬ halb und p2 oberhalb des beweglichen Bauelementes im wesentlichen gleich groß sind. Die Räume 22 oberhalb und 28 unterhalb des beweg¬ lichen Bauelementes 18, 19, 24 müssen jedoch nicht notweragerweise dasselbe Medium enthalten. Z.B. kann sich im Raum 22 eine Flüssig¬ keit befinden, während der Raum 28 mit Luft gefüllt ist, wobei in beiden Räumen Umgebungsdruck herrschen kann, so daß pO im wesent¬ lichen gleich p2 ist.

In der Trägerschicht 11 ist in einer der Zwischenschicht 12 zuge¬ wandten flachen Aussparung 28 eine Elektrode 29 angeordnet, die als elektrisches Betätigungsmittel für das Schließglied 24 dient und da¬ zu einen elektrostatisch wirkenden Antrieb bildet.

Die Wirkungsweise des Mikroventils 10 wird wie folgt erläutert: Das von einem nicht näher gezeichneten Zulauf-Anschluß 17 über den Kanal 16 zuströmende Druckmittel gelangt bei nicht betätigtem Mikroventil 10 in den Raum 15, wo sich der Zulaufdruck entsprechend aufbauen kann. Dieser Druck im Raum 15 wirkt einerseits nach unten auf die Druckfläche 26 an der Membran 18 und gleichzeitig auf die ringför¬ mige Druckausgleichsfläche 27 am Schließglied 24. Da diese beiden Druckflächen 26, 27 im wesentlichen gleich groß ausgebildet sind, ist das bewegliche Bauelement 18, 19, 24 dementsprechend statisch druckausgeglichen. Unter dem Einfluß der Rückstellkraft der federn¬ den Ringme bran 18 liegt das Schließglied 24 dicht am Ventilsitz 23 an und sperrt die Verbindung zum Auslaß-Anschluß 21. Diese Rück¬ stellkraft der Ringmembran 18 kann infolge der druckausgeglichenen Bauweise des Mikroventils 10 sehr klein sein.

Zum Öffnen des Mikroventils 10 wird die Elektrode 29 an Spannung ge¬ legt, wodurch in an sich bekannter Weise ein elektrostatischer An¬ trieb für das bewegliche Bauelement 19, 24 wirkt und sich das Schließglied 24 nach unten bewegt, wobei es vom Ventilsitz 23 ab¬ hebt. Nunmehr kann Druckmittel aus dem Raum 15 zum Auslaß-Anschluß 21 abströmen.

Zum Schließen des Mikroventils 10 wird der elektrostatische Antrieb 29 abgeschaltet, wodurch sich das Schließglied 24 unter dem Einfluß der Rückstellkraft der federnden Ringmembran 18 wieder auf den Ven¬ tilsitz 23 legt und damit die Druckmittelverbindung sperrt. Dabei wird unterstellt, daß die Drücke p2 und pO auf die Flächen 30 bzw. 31 im wesentlichen gleich groß sind und somit auch diesen ge¬ genüber ein Druckkraftausgleich gegeben ist.

Durch die druckausgeglichene Bauweise des Mikroventils 10 ist es möglich, daß nun wesentlich höhere Drücke als bisher gesteuert wer¬ den können und daß als elektrischesBetätigungsmittel ein relativ schwacher und damit kostengünstiger und platzsparender Antrieb ver¬ wendbar ist. Das Mikroventil 10 eignet sich daher zum Steuern we¬ sentlich größerer, hydraulischer oder pneumatischer Leistungen und ermöglicht zudem eine höhere Dynamik. Dabei kann die Druckaus¬ gleichsfläche 31 relativ zur Größe der Druckfläche 30 auch so abge¬ stimmt werden, daß nur ein teilweiser Druckausgleich erzielt wird. Auch können die Druckflächen 30, 31 so aufeinander abgestimmt sein, daß neben verbleibenden statischen Druckkräften auch durch die Strö¬ mung auftretende, dynamische Kräfte berücksichtigt werden und das Schaltverhalten des Mikroventils 10 beeinflussen.

Die Figur 2 zeigt ein zweites Mikroventil 40, das sich vom Mikroven¬ til 10 nach Figur 1 wie folgt unterscheidet, wobei für gleiche Bau¬ elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden.

Beim zweiten Mikroventil 40 ist der Ventilsitz 41 an der Außenseite der Deckplatte 13 angeordnet, also stromabwärts von der Öffnung 42 in der Deckplatte 13. Das Schließglied 43 weist einen der Fläche 25 entsprechenden bolzenförmigen Abschnitt 44 auf, mit dem es die Öff¬ nung 42 durchdringt und am zentralen Schichtbereich 19 der Zwischen¬ schicht 12 fest verbunden ist. Die Dicke des zentralen Schichtbe¬ reichs 19 kann dabei so groß sein wie die Dicke der Zwischenschicht 12. Die Zwischenschicht 12 und die Deckschicht 13 werden ferner durch eine zusätzliche Trennschicht 45 voneinander im Abstand gehal¬ ten. Als elektrische Betätigungsmittel für das Schließglied 43 ist an der Ringmembran 18 innerhalb der Aussparung 28 eine ringförmige, piezoelektrische Beschichtung 46 angebracht. Auch beim zweiten

Mikroventil 40 sind für einen statischen Druckausgleich am beweg¬ lichen Bauelement einerseits die Druckfläche 26 an der Ringmembran 18 und andererseits die Druckausgleichsfläche 27 am Schließglied 43 sowie die Flächen 30 und 31 ausgebildet, wobei sich der druckmittel¬ gefüllte Raum 15 von der Zwischenschicht 12 durch die Trennschicht 45 und die Deckschicht 13 hindurch erstreckt.

Die Wirkungsweise des zweiten Mikroventils 40 entspricht im Prinzip derjenigen des ersten Mikroventils 10, wobei jedoch die Ringmembran 18 durch die piezoelektrische Beschichtung 46 nach oben betätigt wird und somit das Schließglied 43 in Strömungsrichtung geöffnet wird. Wenn bei dieser Ventilbauweise in der Aussparung 28 der glei¬ che Druck herrscht, wie der Druck im Auslaß, also stromabwärts vom Ventilsitz 41, so ist das bewegliche Bauelement aus Ringmembran 18, Schichtbereich 19 und Schließglied 43 gegenüber den Drücken im Ein¬ laß und auch im Auslaß im wesentlichen druckausgeglichen.

Die Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein drittes Mikroventil 50, das sich vom ersten Mikroventil 10 lediglich dadurch unterschei¬ det, daß als elektrische Betätigungsmittel eine ther oelektrische Beschichtung 51 vorgesehen ist, die innerhalb der Aussparung 28 im Bereich der Ringmembran 18 an der Zwischenschicht 12 angebracht ist. Damit kann das Schließglied 24 in der gleichen Bewegungsrichtung be¬ tätigt werden wie beim ersten Mikroventil 10, nämlich aus der ge¬ zeichneten Ausgangsstellung nach unten.

Die Figur 4 zeigt ein viertes Mikroventil 60, das sich von dem in Figur 2 dargestellten, zweiten Mikroventil 40 dadurch unterscheidet, daß anstelle der piezoelektrischen Betätigung eine thermofluidische Betätigung vorgesehen ist. Dazu ist in der Aussparung 28 der Träger¬ schicht 11 ein Heizwiderstand 61 aufgetragen, der sich aufheizt, wenn er von elektrischem Strom durchflössen wird. Dabei erwärmt er

das in der Aussparung 28 eingeschlossene Fluid (Flüssigkeit oder Gas), so daß sich dieses ausdehnt. Infolge der dadurch hervorgeru¬ fenen Druckerhöhung in der Aussparung 28 wird die Ringmembran 18 nach oben ausgelenkt, und das Schließglied 43 öffnet in Strömungs¬ richtung.

Die Figur 5 zeigt ein fünftes Mikroventil 70, das sich von dem in Figur 1 dargestellten Mikroventil 10 dadurch unterscheidet, daß so¬ wohl die Ring erobran als auch die elektrische Betätigungseinrichtung doppelt vorhanden sind. Es enthält zwei zusätzliche Zwischenschich¬ ten 71 und 72. Das bewegliche Bauelement 19, 24 aus Figur 1 ist über einen weiteren zentralen Schichtbereich 74 mit einer zweiten Ring¬ membran 73 verbunden, die in der Zwischenschicht 72 ausgebildet ist. Oberhalb des beweglichen Bauelementes 19, 24, 74 ist in der Deck¬ schicht 13 eine weitere elektrische Betätigung 75 vorgesehen, die ebenso aufgebaut ist wie die elektrische Betätigung 29 unterhalb der ersten Ringmembran 18. Dadurch wird ein vollständig symmetrischer Aufbau des Mikroventils 70 erreicht. Insbesondere ist bei diesem Aufbau auch dann ein vollkommener Druckausgleich am beweglichen Bau¬ element 19, 24, 74 gewährleistet, wenn die Drücke pO und p2 sich stärker voneinander unterscheiden.

Bei dem Mikroventil 10 wird dagegen vorausgesetzt, daß der mögliche Unterschied von pO undp2 gering ist, was eventuell nicht bei jedem Anwendungsfall sichergestellt werden kann.

Das oberhalb und unterhalb des beweglichen Bauelementes 19, 24, 74 vorhandene elektrische Betätigungsmittel 75 bzw. 29 hat darüberhi- naus den Vorteil, daß das Ventil durch elektrische Betätigung sowohl geöffnet als auch geschlossen werden kann. Bei dem Mikroventil 10 dagegen erfolgt das Schließen durch die federnde Rückstellwirkung der Ringmembran 18.

Selbstverständlich sind an gezeigten Ausführungsformen Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.