Zur emissionsreduzierten Verbrennung von Kraftstoffen in Ver- brennungsmotoren ist die kontrollierte, reproduzierbare und zuverlässige Einspritzung von Kraftstoffen in den Ansaugbe- reich oder Verbrennungsraum notwendig. Die Zufuhr des Kraft- stoffes soll über ein miniaturisiertes, kostengünstig her- stellbares, regelbares, robustes, ohne Energiezufuhr dicht schließendes (normally closed, no leak) und schnell reagie- rendes Ventil erfolgen, das in die Einspritzdüse integriert ist und mit geringer elektrischer Leistung betrieben werden kann. Heutige Einspritzventile sind aufgebaut aus einer Viel- zahl mechanischer Einzelkomponenten meist aus Edelstahl. Das Ventil wird von einem halbkugelförmig abgerundeten Ventil- stift gebildet, der in einen hohlkugelig geformten Ventilsitz gleitet. Angetrieben wird dieses Ventil über elektromagneti- sche (Spulen) oder piezoelektrische Antriebe. Das präzise Zu- sammenwirken der einzeln gefertigten Teile bestimmt die Ge- nauigkeit und Leckrate des Ventils. Durch die großen zu bewe- genden Massen sind derartige Ventile langsam und genügen den Anforderungen an die Kraftstoffeinspritzung in modernen Moto- ren nur ungenügend.

In der DE 44 22 941 Al ist ein mikromechanisch herstellbares Mikroventil beschrieben, das als Mehrschichtstruktur mit zwei Membranen und einem Gaskanalsystem mit radial angeordneten Kanälen ausgebildet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfach her- stellbares Mikroventil anzugeben, das für den Einbau in Ver- brennungsmotoren geeignet ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Mikroventil mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab- hängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Mikroventil befinden sich zwischen einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung der Ventilsitz mit einem Verschlußteil. Der Ventilsitz besteht im wesentli- chen aus einem Substrat mit einem Stutzen für die Einlaß- oder die Auslaßöffnung. Auf den Stutzen wird in der Ruhelage des Ventiles das Verschlußteil aufgedrückt. Das Verschlußteil besteht im wesentlichen aus einer mikromechanischen elasti- schen Membran, vorzugsweise ein Anteil einer Polysilizium- schicht, die mit der einen Seite auf den Stutzen drückt und auf deren anderer Seite ein Hohlraum vorhanden ist, in den sich die Membran hineindrücken läßt. Wenn ein Gas oder eine Flüssigkeit auf die dem Stutzen zugewandte Seite der Membran strömt, wird die Membran von dem Stutzen abgehoben und in den Hohlraum hineingedrückt, so daß das Gas oder die Flüssigkeit von der Einlaßöffnung her an dem Rand des Stutzens vorbei in die Auslaßöffung des Ventiles strömen kann. Die Membran kann durch einen stempelartigen Aufsatz versteift sein, um ein gleichmäßiges Öffnen des Ventiles zu gewährleisten.

Es folgt eine genauere Beschreibung des Mikroventils anhand eines Ausführungsbeispieles, das die typische Struktur des Ventiles verdeutlicht, anhand der Figuren 1 bis 4.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt des Ventils.

Figur 2 zeigt die in Figur 1 eingezeichnete Schnittansicht.

Figuren 3 und 4 zeigen den Ventilmechanismus im geschlossenen bzw. im geöffneten Zustand.

Das Mikroventil wird vorzugsweise aus mehreren Schichtlagen mit Methoden der Mikromechanik hergestellt. Der Ventilsitz befindet sich an einem Substrat 1 (s. Figur 1), das z. B. ein Siliziumkörper sein kann. Da die Herstellung dadurch verein- facht wird, wenn nur Oberseiten von Substraten bearbeitet werden, ist das in der Figur 1 dargestellte Ausführungsbei-

spiel aus zwei Substraten 1,10 zusammengesetzt, deren struk- turierte Oberseiten einander zugewandt und z. B. mit einer Verbindungsschicht 11 dauerhaft miteinander verbunden sind (z. B. mittels wafer bonding). Grundsätzlich kann das Mikro- ventil aber auch als Schichtstruktur auf einer Oberseite nur eines Substrates ausgebildet sein.

Bei dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Einlaßöffnung 3 oben, also in dem zweiten Substrat 10 vorhanden. Die Einlaßöffnung kann aber grundsätzlich auch auf derselben Seite wie die Auslaßöffnung 4, nämlich auf der Un- terseite des ersten Substrates 1 vorhanden sein. Die Einlaß- öffnung 3 und die Auslaßöffnung 4 können aus mehreren Kanälen bestehen. Jedem Kanal einzeln oder Gruppen von Kanälen ge- meinsam kann jeweils ein Verschluß des Ventils zugeordnet sein.

Ein solcher Verschluß besteht aus einem Stutzen 8, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zu der Auslaßöffnung 4 ge- hört, statt dessen aber auch Bestandteil der Einlaßöffnung 3 sein kann, und einer elastischen Membran 5, gegen die der Stutzen drückt, so daß dessen Öffnung verschlossen ist. Auf der Gegenseite der Membran 5 ist ein Hohlraum in dem zweiten Substrat 10 oder in einer entsprechenden Schicht ausgebildet, in den die Membran hineingedrückt werden kann.

Figur 2 zeigt den in Figur 1 eingezeichneten Schnitt, der ei- ne Aufsicht auf das Ventil mit der Lage der einzelnen Ventil- verschlüsse als verdeckte Konturen zeigt. Das zweite Substrat 10 besitzt eine kreisringförmige Einlaßöffnung 3, die nur durch vier Verbindungsstege unterbrochen ist. Diese Einlaß- öffnung mündet in einen Zwischenraum zwischen den Substraten 1,10, der zu den Stutzen in der Mitte führt. Die Abmessungen der hier als Beispiel rund gezeichneten Hohlräume 2, die in etwa auch den Abmessungen der Stutzen und der Membranen ent- sprechen, sich in Figur 2 gestrichelt als verdeckte Konturen

eingezeichnet, um als Beispiel die Anordnung von hier sieben verschließbaren Auslaßöffnungen wiederzugeben.

Die Figuren 3 und 4 zeigen im Querschnitt den Verschlußmecha- nismus in einer Vergrößerung. Figur 3 zeigt einen Stutzen 8 einer Auslaßöffnung 4 in dem ersten Substrat 1. Dargestellt ist der geschlossene Normalzustand des Mikroventils. Die Mem- bran 5 ist Teil einer Schicht, die hier als Beispiel zwischen einer Deckschicht 7 (z. B. aus Oxid oder Nitrid) und einer Hilfsschicht 9 (z. B. aus Oxid) eingefaßt ist. Die Deck- schicht 7 besitzt eine Aussparung für die Membran. In der Hilfsschicht 9 ist der Hohlraum 2 ausgebildet. Zur Verstei- fung der Membran 5 und zur Verbesserung der Verschlußeigen- schaften befindet sich auf der Membran ein dem Stutzen 8 zu- gewandter stempelartiger Aufsatz 6 zur Versteifung der Mem- bran. Dieser stempelartige Aufsatz, der auch weggelassen sein kann, kann insbesondere aus einem Material bestehen, das auf Grund seiner Elastizität oder wegen hoher chemischer oder physikalischer Widerstandsfähigkeit für einen sicheren Ver- schluß des Ventils auch nach längerer Beanspruchung besonders geeignet ist. Der stempelartige Aufsatz 6 kann insbesondere durch einen Anteil der geeignet strukturierten Deckschicht 7 gebildet sein.

Figur 4 zeigt den Ausschnitt der Figur 3 für den geöffneten Zustand des Ventils. Von der Einlaßöffnung 3 her einströmen- des Gas, das durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet ist, drückt von unten gegen die Membran 5 und deren stempelartigen Aufsatz 6, so daß der Aufsatz 6 von dem Rand des Stutzens ab- gehoben wird und für das Gas der Weg in die Auslaßöffnung 4 frei wird. In der Darstellung der Figur 4 ist die Membran 5 an die obere Wand des Hohlraumes gedrückt, so daß der Ver- schluß voll geöffnet ist. Entsprechend arbeiten die Ver- schlüsse auf den übrigen Stutzen der verschiedenen Auslaßöff- nungen.

Bevorzugte Abmessungen des in den Figuren dargestellten Aus- führungsbeispiels sind : Gesamtdurchmesser etwa 15 mm, Durch- messer des von den Einzelventilen eingenommenen Bereiches et- wa 10 mm, vertikale Abmessung des Durchflußkanales zwischen den Substraten etwa 50 um, Durchmesser der Auslaßöffnung etwa 50 um, Dicke der Deckschicht 7 etwa 2-3 um, Dicke der Mem- branschicht 5 etwa 0,4 um, Dicke der Hilfsschicht 9 etwa 0,6 um, Dicke der Substrate typisch etwa 0,5 mm.

Anhand des Ausführungsbeispieles ist das Prinzipielle des er- findungsgemäßen Mikroventils leicht zu erkennen. Wesentliche Merkmale sind ein Ventilsitz mit einer eben berandeten Off- nung, eine elastische Membran über einem Hohlraum, die gegen den vorzugsweise erhabenen Rand der Öffnung drückt, so daß die Öffnung verschlossen wird, und ein Einlaßkanal und ein Auslaßkanal, die auf verschiedenen Seiten dieser Öffnung und auf derselben Seite der Membran zum Ventilsitz geführt sind.

Die Membran ist vorzugsweise ein Anteil einer in eine mehrla- gige Schichtstruktur eingebetteten elastischen Schicht, die insbesondere Polysilizium sein kann. Diese Schicht kann sehr dünn sein und zur Verbesserung der Verschlußeigenschaften im Bereich der zu verschließenden Öffnung verdickt oder mit ei- ner weiteren Schicht (stempelartiger Aufsatz) verstärkt sein.

Das Ventil kann auch aktiv betrieben werden, indem durch eine geeignete Ansteuerschaltung die Membran 5 von dem Stutzen 8 abgehoben wird. Das kann z. B. durch elektrostatische Anzie- hung bewirkt werden. Zu diesem Zweck wird das Material der Membran elektrisch leitend ausgebildet. Bei Verwendung von Polysilizium für die Membran kann das Polysilizium elektrisch leitend dotiert werden. An der der Membran gegenüberliegenden Wand des Hohlraumes 2 wird, z. B. durch Dotieren eines Berei- ches in dem Halbleitermaterial des zweiten Substrates 10 eine Elektrode 12 ausgebildet. Die Membran und diese Elektrode 12 werden angeschlossen an eine elektronisch Schaltung, die in an sich bekannter Weise in einem der Substrate integriert sein kann und mit der eine elektrische Spannung so angelegt

werden kann, daß die Membran durch elektrostatische Kräfte zur oberen Wand des Hohlraumes hin gezogen wird und die Off- nung des Ventiles freigibt.

Das Mikroventil hat eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Mikroventilen. Auch bei der aus einseitig bear- beiteten Substraten zusammengesetzten Ausführungsform ist die Anzahl der Baugruppen, die paßgenau zusammengefügt werden müssen, auf zwei reduziert. Das zweite Substrat 10 enthält vorzugsweise alle aktiven Funktionsblöcke, wie die bewegli- chen und ggf. angetriebenen Ventilteile (mit Methoden der Oberflächenmikromechanik hergestellte Membranen, ggf. mit Stempel), Sensoren, Antriebs-und Regelschaltungen zum akti- ven Betrieb des Ventils. In diesem Substrat befinden sich vorzugsweise die Einlaßöffnungen beispielsweise für den Kraftstoff. Das erste Substrat 1 wird vorzugsweise nicht mit einer Schichtstruktur versehen, sondern nur mit den Methoden der Bulkmikromechanik zur Bearbeitung solider Substratkörper bearbeitet. Es enthält die Ventilsitze, Durchflußkanäle und die Ventilauslaßöffnungen.

Die Grundgeometrie der Ventile kann auch rechteckig sein, was den Herstellungsmethoden der Mikromechanik besser angepaßt ist. Die Ventilfunktion des Gesamtbauteiles wird vorzugsweise durch eine Vielzahl kleiner Einzelventile gewährleistet (z. B. ca. 8000 für einen Durchflußquerschnitt von 0,6 mm2).

Wenn das Ventil über eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren (d. h. aktiv zu schaltenden) Einzelventilen verfügt, kann die Durchflußrate in sehr kleinen Stufen über einen großen Be- reich eingestellt werden, ohne daß der Öffnungshub eines Ein- zelventils geregelt werden muß. Ein Einzelventil, das gesteu- ert wird, hat daher vorzugsweise nur zwei mögliche Zustände : offen oder geschlossen. Die Regelung der Durchflußrate können Sensoren in das Substrat integriert sein, mit denen z. B. die Durchflußrate, der Druck der Strömung oder die Temperatur ge- messen werden.

Das Ventil ist im Normalzustand geschlossen. Der Anpreßdruck der Membran bzw. des Stempels auf den Rand des Ventilsitzes wird durch die Anordnung dieser Teile auf den zusammengefüg- ten Substraten eingestellt. Wenn der Durchmesser des von den Einzelventilen eingenommenen Bereiches etwa 10 mm und der Durchmesser einer Auslaßöffnung etwa 50 bis 100 um beträgt, genügt bei einer Polysiliziummembran von etwa 0,4 um Dicke eine durch das Andrücken des Ventilsitzes bedingte Parallel- verschiebung oder Durchbiegung der Membran von 100 nm, um das Ventil ohne zusätzlich anliegende Kräfte gegenüber einem Uberdruck von 3 bar zu schließen.

Bei aktivem Betrieb des Ventiles wird das Einzelventil durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Membran und der im Substrat auf der anderen Seite des Hohlraumes durch Dotierung ausgebildeten Elektrode geöffnet. Dazu genügen Spannungen von weniger als 100 V. Die elektrostatische Off- nung des Ventils erfolgt nahezu ohne Leistungsaufnahme der zugehörigen Schaltung. Auf Grund der geometrischen Anordnung liegt der Antrieb außerhalb des mit dem durchströmenden Medi- um (Kraftstoff) in Berührung stehenden Ventilbereichs und ist daher geschützt. Das Ventil kann daher zur Dosierung der Durchflußmenge elektrisch leitender Medien benutzt werden.

Wenn die Durchflußmenge geregelt werden soll, wird vorzugs- weise eine Anordnung nach Art der beschriebenen Ausführungs- form mit mehreren aktiv betriebenen einzelnen Mikroventilen verwendet. Durch die Anzahl der jeweils geöffneten Ventile wird die Durchflußmenge geregelt oder gesteuert. Dafür kann insbesondere eine Ansteuerschaltung vorgesehen sein, die je- weils in Abhängigkeit von einer gewünschten Durchflußmenge eine entsprechende Anzahl von Ventilen öffnet.

Wenn eine automatische Regelung oder Steuerung des Ventiles verlangt wird, kann das Ventil mit einem oder mehreren, ins- besondere mikromechanischen, Sensoren integriert und mit ei- ner elektronischen Regelschaltung versehen sein, die als An-

steuerschaltung für das Ventil und gleichzeitig zur Erfassung und Auswertung eines Sensorsignales vorgesehen ist und mit der die Ansteuerung des Ventiles in Abhängigkeit von dem Sen- sorsignal vorgenommen werden kann.

Wegen der geringen Masse der Ventilmembran und deren geringen Abmessungen liegt die Resonanzfrequenz des mechanischen Sy- stems sehr hoch (typisch bei ca. 1 MHz). Dies garantiert eine kurze Ansprechzeit des Ventils, die vorwiegend durch die Ei- genschaften des durchströmenden Mediums bestimmt wird.

Das Ventil ist weitgehend miniaturisiert und kann einfach und kostengünstig in großer Stückzahl hergestellt werden. Insbe- sondere mit einer in den Ventilkörper integrierten Sensorik und einer integrierten elektronischen Schaltung zum Betrieb der Sensoren und zur Steuerung des Ventiles ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Ventiles. Eine solche Integration wird dadurch erleichtert, daß das erfindungsgemäße Ventil zusammen mit weiteren Halb- leiterbauelementen in Silizium hergestellt werden kann.