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Patent Searching and Data


Title:
PIEZO-ELECTRICALLY ACTUATED MICROVALVE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1998/023869
Kind Code:
A1
Abstract:
A microvalve comprising a micromechanically structured chip defining a valve seat (87) with a through-flow opening (88), an elastic suspension device (86) and a border area (89). Also included is valve plate (92) which is connected to the micromechanically structured chip in the border area in such a way that the valve plate (92) can be guided by the elastic suspension device (86) in relation to the valve seat so that the through-flow opening (88) can be opened and closed by the valve plate (92). A piezo-electric actuating device is provided for actuation of the valve plate (92) in relation to the valve seat (87). The extension of the piezo-electric actuating device can be modified in the longitudinal direction by supplying electrical voltage. The ends of the piezo-electric actuating device are interspaced lengthwise are connected with ends of the suspension device, which are also interspaced lengthwise, wherein a longitudinal modification of the extension of the piezo-electric-actuating device caused by the supply of electrical voltage to said actuating device brings about a movement of the valve plate (92) in relation to the valve seat (87), substantially perpendicular to the longitudinal direction, enabling the valve plate to open or close the through-flow opening (88) in the valve seat (87).

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Inventors:
Kluge, Stefan (Allacher Strasse 98, M�nchen, D-80997, DE)
Application Number:
PCT/EP1997/006498
Publication Date:
June 04, 1998
Filing Date:
November 20, 1997
Export Citation:
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Assignee:
Fraunhofer-gesellschaft V, Zur F�rderung Der Angewandten Forschung E. (Leonrodstrasse 54, M�nchen, D-80636, DE)
Kluge, Stefan (Allacher Strasse 98, M�nchen, D-80997, DE)
International Classes:
F16K31/02; B81B3/00; F15C3/04; F15C5/00; F16K31/00; F16K99/00; H01L41/09; (IPC1-7): F15C5/00; F15C3/04; F16K31/00; H01L41/09
Foreign References:
US5529279A1996-06-25
DE19511022C11996-06-20
US5340081A1994-08-23
DE4417251A11995-11-23
US5529279A1996-06-25
JPH07158757A1995-06-20
DE4417251A11995-11-23
Other References:
ROSSBERG, R., SCHMIDT, B., BÜTTGENBACH, S.: "Micro Liquid Dosing System", MICROSYSTEM TECHNOLOGIES, vol. 2, December 1995 (1995-12-01), DE, pages 11 - 16, XP002059881
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 095, no. 009 31 October 1995 (1995-10-31)
DOGAN, A., ET AL: "Properties of Piezoelectric Actuators", PROC. 5TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON NEW ACTUATORS, 26 June 1996 (1996-06-26) - 28 June 1996 (1996-06-28), DE-BREMEN, pages 233ff, XP002059882
FERNANDEZ, J.F., ET AL: "Tailoring Performance of Cymbal Actuators", PROC. 5TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON NEW ACTUATORS, 26 June 1996 (1996-06-26) - 28 June 1996 (1996-06-28), DE-BREMEN, pages 261ff, XP002059883
ROSSBERG, SCHMIDT, BOTTGENBACH: "Micro Liquid Dosing System", MICROSYSTEM TECHNOLOGIES 2, 1995, pages 11 - 16
DOGAN ET AL: "Properties of piezoelectric actuators", PROCEEDINGS 5TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON NEW ACTUATORS, 28 June 1996 (1996-06-28), BREMEN
FERNANDEZ ET AL: "Tailoring Performance of Cymbal Actuators", PROCEEDINGS 5TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON NEW ACTUATORS, 28 June 1996 (1996-06-28), BREMEN
Attorney, Agent or Firm:
Schoppe, Fritz (Postfach 71 08 67, M�nchen, D-81458, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Mikroventil, mit folgenden Merkmalen: einem mikromechanisch strukturierten Chip, der einen Ventilsitz (87) mit einer Durchflu öffnung (88), eine elastische Aufhängungsvorrichtung (86) und einen Randbe reich (89) festlegt; einer Ventilplatte (92), die in dem Randbereich (89) mit dem mikromechanisch strukturierten Chip verbunden ist, derart, da die Ventilplatte (92) durch die elastische Aufhängungseinrichtung (86) gegenüber dem Ventilsitz derart führbar ist, da die Durchflu öffnung (88) durch die Ventilplatte (92) verschlossen und freigegeben wer den kann; und einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung zur Betä tigung der Ventilplatte (92) gegenüber dem Ventilsitz (87) wobei die Erstreckung der piezoelektrischen Betäti gungsvorrichtung in deren Längsrichtung durch das Anle gen einer elektrischen Spannung veränderbar ist; wobei in Längsrichtung voneinander beabstandete Enden der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung mit in Längsrichtung voneinander beabstandeten Enden der Auf hängungsvorrichtung verbunden sind, wobei eine durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektri sche Betätigungsvorrichtung bewirkte Änderung der Er streckung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung in ihrer Längsrichtung eine Bewegung der Ventilplatte (92) gegenüber dem Ventilsitz (87) im wesentlichen senk recht zu der Längsrichtung bewirkt, wodurch die Ventil platte die Durchflu öffnung (88) im Ventilsitz (87) freigibt oder verschlie t.
2. Mikroventil gemä Anspruch 1, ferner mit einem Grundkörper (80) mit einer Durchla öffnung (84), wobei der Ventilsitz (87) derart mit dem Grundkörper (80) verbunden ist, da die Durchla öffnung (84) mit der Durchflu öffnung (88) in Fluidverbindung steht.
3. Mikroventil gemä Anspruch 1 oder 2, bei dem die piezo elektrische Betätigungsvorrichtung die Ventilplatte (92) bildet.
4. Mikroventil gemä einem der Ansprüche 1 3, bei dem der Ventilsitz (87) auf seiner der Ventilplatte (92) zuge wandten Seite eine Ventildichtkante (93) aufweist, wel che die Durchflu öffnung (88) umschlie t und im nichtbe tätigten Zustand des Mikroventils gegen die Ventilplatte (92) anliegt.
Description:
Piezoelektrisch betätigtes Mikroventil Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mikromechanisch gefertigte Ventile und insbesondere auf piezoelektrisch be- triebene Mikroventile.

Mikroventile können allgemein in der Pneumatik und Fluidik bei der Steuerung von Gas- und Flüssigkeits-Strömungen, also Fluidströmungen, verwendet werden. Ein solches Ventil kann dabei entweder die Funktion eines Vorsteuerventils besitzen oder direkt der Steuerung eines Volumenstromes bzw. Drucks in einem Arbeitskolben und dergleichen dienen.

Derzeit bekannte piezoelektrisch betriebene Mikroventile, die auf dem inversen piezoelektrischen Effekt beruhen, wei- sen eine gro e, meist einseitig eingespannte Piezokeramik auf, mit der der Fluidstrom direkt geregelt wird. Ein derar- tiges piezoelektrisch betriebenes Silizium-Mikroventil ist in R. Ro berg, B. Schmidt, S. Büttgenbach: Mikro Liquid Do- sing System", Microsystem Technologies 2 (1995), Seiten 11 bis 16, Springer-Verlag 1995, beschrieben. Bei solchen Mi- kroventilen kann die Piezokeramik entweder selbst als Ven- tilstö el dienen oder es wird ein direkt von der Piezokera- mik geführter Ventilstö el eingesetzt.

Die in der obigen Schrift beschriebenen Mikroventile weisen einen Nachteil dahingehend auf, da für die für einen gro en Durchflu benötigte Auslenkung des Ventilstö els, der auch als Ventilklappe bezeichnet werden kann, über dem Ventilsitz eine sehr lange Piezokeramik benötigt wird. Zur Aufnahme ei- ner solchen Piezokeramik ist selbstverständlich auch ein entsprechend gro es Gehäuse erforderlich. Die bekannten pie- zobetriebenen Mikroventile, wie sie beispielsweise in der oben genannten Schrift beschrieben sind, weisen also im Ver- gleich zu Ihrer Baugrö e eine relativ kleine Ventilöffnung, d.h. Nennweite, auf.

Aus A. Dogan, J.F. Fernandez, J.F. Tressler, K. Uchino, R.E.

Newnham: "Properties of piezoelectric actuators"; Procee- dings 5th International Conference on New Actuators 1996; Bremen 26.-28. Juni 1996, und J.F. Fernandez, A. Dogan, J.F.

Tressler, K.Uchino, R.E. Newnham: "Tailoring performance of cymbal actuators", Proceedings 5th International Conference on New Actuators, Bremen 26.-28. Juni 1996, sind piezoelek- trische Betätigungsglieder bekannt, die aus einem piezoelek- trischen Keramikmaterial als einem Antriebselement bestehen, das zwischen zwei Endabdeckungen, die an ihren Rändern mit dem Keramikmaterial verbunden sind, angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird eine laterale Bewegung der piezoelek- trischen Keramik in eine gro e axiale Verschiebung senkrecht zu den Endabdeckungen umgewandelt und verstärkt. Wie in der Schrift "Tailoring performance of cymbal actuators" be- schrieben ist, werden als Endabdeckungen Metalle bzw. Me- tallegierungen verwendet, beispielsweise Zirkon, Messing, kohlenstoffarmer Stahl, Molybdän oder Wolfram.

Die US-A-5529279 beschreibt ein Mikrobetätigungsglied, bei dem ein thermisches Betätigungsglied vorgesehen ist, um ei- nen in einem ersten Substrat gebildeten Stö el, der membran- artig gelagert ist, anzutreiben, um eine Öffnung offenzulas- sen und zu verschlie en. Ein zweites Substrat ist mit dem ersten Substrat und einem Träger verbunden, derart, da der Stö el eine das zweite Substrat durchdringende Öffnung, die mit einer Öffnung in dem Träger ausgerichtet ist, ver- schlie t. Zwischen dem zweiten Substrat und dem Träger ist eine Isolationszelle vorgesehen, um dadurch die thermische Masse des Mikrobetätigungsglieds zu reduzieren und die ther- mische Energie, die durch das thermische Betätigungsglied in dem ersten Substrat entwickelt wird, thermisch zu isolieren.

In dem Abstract der JP-A-0715 8757 ist ein Mikroventil be- schrieben, bei dem eine Trägerplatte, die eine Durchla öff- nung aufweist, vorgesehen ist, wobei eine Siliziummembran mit einer Stö el-artigen Verdickung mit der Trägerplatte verbunden ist, um die Durchla öffnung offenzulassen oder zu verschlie en. Die Membran wird durch ein auf der Membran an- geordnetes Piezobauglied angetrieben.

Die DE-A-4417251 beschreibt ein Mikroventil, bei dem eine oder mehrere Durchla öffnungen in einem Trägerbauglied durch eine zu dem Trägerbauglied sowohl senkrechte als auch paral- lele Bewegung eines Verschlu bauglieds, das über elastische Verbindungselemente mit dem Trägerbauglied verbunden ist, verschlie bar sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisch betriebenes Mikroventil zu schaffen, das ei- ne gegenüber bekannten piezoelektrisch betriebenen Mikroven- tilen deutlich reduzierte Bauweise aufweist und das ferner mit niedrigeren Betätigungskräften betätigbar sein soll.

Diese Aufgabe wird durch ein Mikroventil gemä Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Mikroventil, das einen mikromechanisch strukturierten Chip, der einen Ventilsitz mit einer Durchflu öffnung, eine elastische Aufhängungsvor- richtung und einen Randbereich festlegt, aufweist. Eine Ven- tilplatte ist vorgesehen, die in dem Randbereich mit dem mi- kromechanisch strukturierten Chip verbunden ist, derart, da die Ventilplatte durch die elastische Aufhängungseinrichtung gegenüber dem Ventilsitz derart führbar ist, da die Durch- flu öffnung durch die Ventilplatte verschlossen und freige- geben werden kann. Ferner weist das Mikroventil eine piezo- elektrische Betätigungsvorrichtung zur Betätigung der Ven- tilplatte gegenüber dem Ventilsitz auf, wobei die Er- streckung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung in deren Längsrichtung durch das Anlegen einer elektrischen Spannung veränderbar ist. In Längsrichtung voneinander beab- standete Enden der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung sind mit in Längsrichtung voneinander beabstandeten Enden der Aufhängungsvorrichtung verbunden, wobei eine durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung bewirkte Änderung der Erstreckung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung in ihrer Längsrich- tung eine Bewegung der Ventilplatte gegenüber dem Ventilsitz im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung bewirkt, wo- durch die Ventilplatte die Durchflu öffnung im Ventilsitz freigibt oder verschlie t.

Die Erfindung sieht vor, eine Durchflu öffnung innerhalb des Ventilsitzes, der als eine Verdickung einer Membran ausge- bildet ist, vorzusehen, wodurch die vom Ventilsitz umschlos- sene, nicht druckausgeglichene Fläche reduziert werden kann und die vom Piezoaktor erbrachte Kraft in eine erhöhte Aus- lenkung und somit einen grö eren Ventildurchflu umgesetzt werden kann.

Durch das Mikroventil gemä der vorliegenden Erfindung kann aufgrund einer mechanischen Übersetzung zwischen einem Stö el und einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung, wobei die mechanische Übersetzung durch die Aufhängungsvor- richtung des Stö els geliefert wird, die Baugrö e von piezo- elektrisch betriebenen Ventilen deutlich reduziert werden.

Durch die Hebelübersetzung wird eine relativ geringe latera- le Schrumpfung, d.h. eine Änderung der Erstreckung der Pie- zokeramik in Längsrichtung, in eine relativ hohe vertikale Auslenkung, d.h. eine hohe Auslenkung senkrecht zu der Er- streckung der Piezokeramik in Längsrichtung, des Ventil- stö els über dem Ventilsitz umgewandelt. Dadurch sind auf geringer Fläche gro e Öffnungsweiten des Ventils realisier- bar. Die nachfolgend beschriebenen Ventile können zudem im Gegensatz zu den bisher bekannten Ausführungen mit einer, in der Halbleitertechnik üblichen, Full-Wafer-Verbindungstech- nik montiert werden. Dies bedeutet, da auf einem Substrat nebeneinander sehr viele identische Bauteile gleichzeitig hergestellt werden können. Durch Vereinzeln am Ende des Her- stellungsprozesses werden dann die einzelnen Ventile gefer- tigt. Durch die Verwendung dieses sogenannten Batch-Verfah- rens steigt die Reproduzierbarkeit der Bauteilspezifikatio- nen. Durch diese Herstellung wird sowohl eine Kostenerspar- nis, da die Strukturen gleichzeitig gefertigt werden können, als auch eine Vereinfachung, da bereits ein Funktionstest im Waferverbund stattfinden kann, erreicht.

Die Baugrö e von piezoelektrisch betriebenen Mikroventilen, die gemä der Erfindung aufgebaut sind, kann bei gleichblei- bendem Durchflu im Vergleich zu bekannten Mikroventilen drastisch verringert sein. Dies ermöglicht eine höhere Packungsdichte, beispielsweise bei sogenannten Ventilinseln, wodurch es möglich wird, z.B. pneumatisch gesteuerte Maschi- nen zu verkleinern oder überhaupt erst zu realisieren. Vor allem auch der Einsatz von Mikroventilen im Kraftfahrzeugbe- reich ist eng mit der Baugrö e und dem daraus resultierenden Gewicht der Mikroventile gekoppelt. Daneben können, wenn die bisherige Baugrö e beibehalten wird, höhere Durchflüsse er- zielt werden. Somit können schnellere Schaltzeiten, bei- spielsweise von Arbeitskolben erreicht werden. Durch die verringerte Baugrö e, die für einen gegebenen Durchflu nö- tig ist, sind ferner die Kosten für die Gehäusung reduziert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach- folgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1A und 1B schematische Querschnittansichten zur Veran- schaulichung eines piezoelektrischen Aktors für ein Mikroventil; Fig. 2A und 2B schematische Querschnittansichten eines er- sten Mikroventils im Ruhezustand bzw. im aktivierten Zustand; Fig. 3 eine schematische Querschnittansicht eines alterna- tiven Mikroventils im Ruhezustand; Fig. 4 eine schematische Querschnittansicht eines weiteren Mikroventils im Ruhezustand; und Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Aus- führungsbeispiels des Mikroventils gemä der vorlie- genden Erfindung im Ruhezustand.

Ein Betätigungsglied, bestehend aus einer Piezokeramik und einem mittels einer Aufhängungsvorrichtung 12 an der Piezo- keramik 10 befestigten Stö el 14, ist in den Fig. 1A und 1B dargestellt. Die Piezokeramik 10 dient als eigentlicher An- trieb. An die Piezokeramik 10 ist in üblicher Weise über an derselben angebrachte Elektroden (nicht gezeigt) eine Span- nung anlegbar.

An der Piezokeramik 10 ist ein mikromechanisch strukturier- ter Chip 16 angebracht. Der Chip ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Halbleiter-Chip. Der mikromechanisch strukturierte Chip 16 kann beispielsweise mittels herkömmli- cher Ätztechniken gefertigt sein. Als Chip-Material kann beispielsweise Silizium verwendet sein. Alternativ kann der Chip auch ein mittels eines Spritzgu -Verfahrens, z.B. LI- GA-Verfahrens (LIGA = Lithographie, Galvanische Abformung), gefertigter Chip sein und somit aus Kunststoff bestehen.

Bei dem in den Fig. 1A und 1B dargestellten Betätigungsglied ist der Chip an allen Rändern fest mit der Piezokeramik ver- bunden, während der im wesentlichen in der Mitte des mikro- mechanisch strukturierten Chips befindliche, an den elasti- schen Aufhängungen 12 befestigte Stö el 14 vertikal beweg- lich ist. Bei einem 2/2-Wege-Ventil ist es jedoch nicht not- wendigerweise erforderlich, da der Chip an allen Rändern mit der Piezokeramik verbunden ist, da es für die Wirkungs- weise der piezoelektrischen Betätigung des Stö els aus- reicht, wenn der Chip zumindest an zwei voneinander beab- standeten Enden, die vorzugsweise sich gegenüberliegende En- den sind, mit der Piezokeramik verbunden ist, wobei der Stö el in einem Bereich zwischen den an der Piezokeramik be- festigten Abschnitten des Chips angeordnet ist.

Die elastischen Aufhängungen 12 können aus einer Membran be- stehen, in der Durchführungen 18 für einen Druckausgleich angeordnet sein können. Die elastischen Aufhängungen können jedoch auch aus einzelnen Streifen bestehen, die den Stö el 14 mit dem an der Piezokeramik befestigten Teil des mikrome- chanisch strukturierten Chips 16 verbinden. Entlang des Um- fangs weist der mikromechanisch gefertigte Chip eine sich von der Piezokeramik 10 weg erstreckende Umrandung 20 auf, die für eine Befestigung des Betätigungsglieds an einem Ven- tilgrundkörper dienen kann.

In Fig. 1A ist der Zustand des Betätigungsglieds darge- stellt, wenn keine Spannung an die Piezokeramik 10 angelegt ist. Wird eine elektrische Spannung an die Piezokeramik an- gelegt, verringert die Piezokeramik 10 ihre laterale Aus- dehnung. Dies ist durch die parallel zu der Piezokeramik verlaufenden Pfeile in den Figuren, beispielsweise in Fig.

1B, dargestellt. Der entlang der Umrandung der Piezokeramik 10 mit derselben verbundene mikromechanisch strukturierte Chip 16 wird dabei gestaucht, wobei der Stö el 14 aufgrund der in dem mikromechanisch strukturierten Chip 16 auftreten- den lateralen Druckspannung dazu tendiert, sich in vertika- ler Richtung zu bewegen. Dies ist durch den Pfeil in Fig. 1B angezeigt. Bei einer geeigneten Formgebung des Chips 16 lä t sich hierbei eine Hebelwirkung erzielen, die den geringen lateralen Schrumpf der Piezokeramik 10 in eine hohe vertika- le Aus lenkung des Stö els 14 übersetzt und damit eine gro e Ventilöffnungsweite ermöglicht. Im Gegensatz dazu folgt bei Mikroventilen herkömmlicher Bauart der Ventilstö el direkt der Bewegung der Piezokeramik und ist damit in seiner Aus- lenkung auf den Wert der Aus lenkung der Piezokeramik be- schränkt.

In den Fig. 2A und 2B ist ein erstes Ausführungsbeispiel ei- nes Mikroventils dargestellt. Es handelt sich dabei um ein 2-2-NO-Mikroventil, das zwei Wege, d.h. zwei Durchla öffnun- gen, und zwei Schaltzustände aufweist, wobei das Mikroventil im deaktivierten Zustand geöffnet ist. Bei dem in den Fig.

2A und 2B dargestellten Ausführungsbeispiel des Mikroventils befinden sich die Ventilöffnungen 30 und 32 in einer Grund- platte 34, die beispielsweise aus Keramik besteht. Die Grundplatte 34 kann ferner gleichzeitig zur elektrischen Kontaktierung dienen. An den Ventilöffnungen 30 und 32 sind Fluidanschlüsse (nicht dargestellt) angebracht, beispiels- weise ein Verbraucheranschlu und ein Druckanschlu .

Auf der Grundplatte 34 ist ein mikrostrukturierter Stö el- Chip 16, der bei diesem Ausführungsbeispiel dem Chip ent- spricht, der in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist, entlang seiner Umrandung, d.h. entlang der Randnase 20, befestigt, derart, da der Stö el 14 in der Mitte des mikromechanisch strukturierten Chips 16 frei beweglich ist. An dem mikrome- chanisch strukturierten Chip 16 ist ferner, wie bezugnehmend auf die Fig. 1A und 1B beschrieben wurde, eine Piezokeramik 10 angebracht. Die der Grundplatte 34 zugewandte Seite des Stö els 14 ist dabei gegenüber der Oberfläche der Grundplat- te 34 etwas zurückgesetzt. Dadurch wird die Höhe der Ventil- öffnung definiert.

Bei dem in den Fig. 2A und 2B dargestellten Ausführungsbei- spiel ist der der Grundplatte 34 zugewandte Chiprand, d.h.

die Fläche der Randnase 20, die an der Grundplatte 34 befe- stigt ist, sehr schmal ausgestaltet, was eine spannungsfreie Drehbewegung des Stö el-Chips ermöglicht. An der Grundplatte 34 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Gehäuseabdeckung 36 angebracht, die eine Kapselung für den oben beschriebenen Aufbau liefert und ferner als Gasführung verwendet werden kann.

Wird nun eine elektrische Spannung an die Piezokeramik 10 angelegt, so ändert dieselbe Ihre Erstreckung in Längsrich- tung, d.h. sie verringert ihre laterale Ausdehnung. Dies ist in Fig. 2B wiederum durch die parallel zur Längsausdehnung der Piezokeramik 10 verlaufenden Pfeile angezeigt. Der an der Umrandung mit der Piezokeramik 10 verbundene mikrostruk- turierte Stö el-Chip 16 wird dabei gestaucht und tendiert dazu, die auftretende laterale Druckspannung durch ein Aus- weichen in vertikaler Richtung zu reduzieren. Durch diese vertikale Bewegung des Stö els 14 wird bewirkt, da die Durchla öffnung oder Ventilöffnung 30 der Grundplatte 34 verschossen wird. Durch die Formgebung des mikrostrukturier- ten Stö el-Chips 16 kann eine Übersetzung einer geringen la- teralen Kontraktion der Piezokeramik 10 in eine hohe verti- kale Auslenkung des Stö els 14 erreicht werden. Die in Fig.

2B dargestellten Pfeile 37 und 37' stellen ferner die nahezu spannungsfreie Drehbarkeit des Stö el-Chips dar, die durch die schmale Befestigungsfläche des mikrostrukturierten Stö el-Chips an der Grundplatte 34 gewährleistet ist. Durch die Wahl der Richtung der Fluidströmung durch das Ventil kann das Öffnen des Ventils unterstützt werden, oder alter- nativ das Schlie en desselben, wodurch sich ein verbessertes Leckratenverhalten ergibt.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Mikro- ventils dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein 2/2-NG-Ventil, das zwei Wege und zwei Schalt- zustände aufweist und im deaktivierten Zustand geschlossen ist. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist wiederum ein mikromechanisch strukturierter Stö el-Chip 38 an einer Piezokeramik 40 angebracht. Der Stö el-Chip 38 weist wiederum einen Stö el 42 auf, der über eine elastische Aufhängung 44 an einem entlang des Umfangs des Stö el-Chips mit der Piezokeramik 40 verbundenen Teil 46 des Stö el-Chips 38 angebracht ist. Die Montage des Stö el-Chips an der Pie- zokeramik 40 erfolgt in diesem Fall derart, da der Ventil- stö el 42 durch den Montageprozess bereits mit einer gewis- sen mechanischen Vorspannung beaufschlagt ist, und auf dem Ventilsitz aufliegt, wobei der Ventilsitz dadurch verschlos- sen wird.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel weist wiede- rum eine beispielsweise aus Keramik bestehende Grundplatte 48, die zwei Ventilöffnungen 50 und 52 aufweist, sowie einen Gehäusedeckel 54 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist jedoch auch die Piezokeramik 40 zwei Durchla öffnungen 56 und 58 auf. Die Piezokeramik 40 ist über eine Befestigungs- vorrichtung, die jedoch eine laterale Expansion und Kontrak- tion der Piezokeramik zulä t, mit der Grundplatte 48 derart verbunden, da die Ventilöffnung 50 der Grundplatte 48 mit der Durchla öffnung 56 der Piezokeramik 40 fluidmä ig ver- bunden ist, und da die Ventilöffnung 52 der Grundplatte 48 mit der Durchla öffnung 58 der Piezokeramik 40 verbunden ist.

In dem Fall, in dem keine Spannung an die Piezokeramik ange- legt ist, verschlie t der Stö el 42 bei dem in Fig. 3 darge- stellten Ausführungsbeispiel des Mikroventils die Durchla - öffnung 56 in der Piezokeramik 40 und somit die mit der Durchla öffnung 56 fluidmä ig verbundene Ventilöffnung 50 in der Grundplatte 48. Wird nun eine Spannung an die Piezokera- mik 40 angelegt, verringert dieselbe durch den inversen pie- zoelektrischen Effekt ihre Ausdehnung in Längsrichtung, wo- bei diese Schrumpfung in eine Vertikalbewegung des Stö els 42 nach oben übersetzt wird. Dadurch wird die Durchla öff- nung 56 in der Piezokeramik 40 freigegeben und damit auch die Ventilöffnung 50 in der Grundplatte 48. Bei diesem Ven- til kann die Richtung der Fluidströmung derart gewählt wer- den, da das Schlie en des Ventils unterstützt wird. Dies führt zu einem verbesserten Schlie - und Leckratenverhalten.

Ein drittes Ausführungsbeispiel eines Mikroventils ist in Fig. 4 dargestellt. Die Grundplatte 48 mit Durchla öffnungen 50, 52 und die Piezokeramik 40 mit Durchla öffnungen 56 und 58 weisen bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbei- spiel den gleichen Aufbau wie bei dem bezugnehmend auf Fig.

3 beschriebenen Ausführungsbeispiel auf. Auf der Piezokera- mik ist wiederum ein mikromechanisch strukturierter Stö el- Chip 60 angeordnet. Die elastischen Aufhängungen, durch die der Stö el 62 an dem an der Piezokeramik 40 befestigten Teil des Stö el-Chips 60 befestigt ist, weisen Fluiddurchführun- gen auf, die beispielhaft als Unterbrechungen 64 dargestellt sind.

Der mikromechanisch strukturierte Stö el-Chip 60 weist wie- derum eine Randnase 66 auf, auf der bei dem dritten Ausfüh- rungsbeispiel eines Mikroventils ein weiterer Ventilsitz 68 angeordnet ist. Der Ventilsitz 68 weist eine Durchführungs- öffnung 70 auf. Die Durchführungsöffnung 70 ist fluidmä ig mit einer Durchführungsöffnung 72 eines den beschriebenen Aufbau kapselnden Gehäusedeckels 74 verbunden. Durch die Pfeile 75 und 75' in Fig. 4 ist wiederum die nahezu span- nungsfreie Drehbarkeit, die durch die schmale obere Fläche der Randnase 66 gewährleistet ist, angezeigt.

Das in Fig. 4 dargestellte Mikroventil kann als 3/2-Wege- Ventil bezeichnet werden. Ein solches Ventil weist 3 Wege und 2 Schaltzustände auf. Bei einem derartigen Ventil wird naturgemä ein zweiter Ventilsitz benötigt. Dieser ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem weiteren Chip, beispielsweise Keramik, Silizium oder dergleichen, ausgebildet. Bei einem derartigen 3/2-Wege-Ventil, wie es beispielsweise bezugnehmend auf Fig. 4 beschrieben wurde, ist der Stö el-Chip entlang seines gesamten Umfangs voll- ständig sowohl mit der Piezokeramik als auch dem zweiten Ventilsitz verbunden, da durch den Raum zwischen dem Chip und der Piezokeramik und den Raum zwischen dem Chip und dem zweiten Ventilsitz Fluid geführt wird.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Mikroventil ist die Ventil- öffnung 50 im entspannten Zustand der Piezokeramik 40 ge- schlossenen. Wird nun eine Spannung an die Piezokeramik 40 angelegt, verringert sich die Längsausdehnung derselben, wo- durch eine Vertikalbewegung des Stö els 62 nach oben bewirkt wird. Dadurch schlie t der Stö el 62 die Durchla öffnung 70 in dem zweiten Ventilsitz 68 und damit die Öffnung 72 in dem Gehäusedeckel 74.

3/2-Wege-Ventile werden aus Sicherheitsgründen zumeist im Normal-Geschlossen-Modus betrieben, sind also ohne anlie- gende Energieversorgung geschlossen. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, die im Montageproze auf den Ventilstö el aufgebrachte Vorspannung so hoch zu wählen, da der Stö el auch bei Druckbeaufschlagung von unten am Ventilsitz ver- bleibt und das Ventil damit geschlossen bleibt.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Mikroventils ge- mä der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel des Mikroventils umfa t wiede- rum eine Grundplatte 80, die zusammen mit einer Gehäuseab- deckung 81 ein Ventilgehäuse 82 bildet. Die Grundplatte 80 weist einerseits eine Druckanschlu öffnung 83 und anderer- seits eine Ausla öffnung 84 auf, durch die das gesteuerte Fluid einem Verbraucher zuführbar ist. Eine Ventilstruktur 85 innerhalb des Gehäuses 82 hat eine elastische Aufhängung 86, die vorzugsweise in ihrem Mittenbereich einen Stö el 87 aufweist, durch den sich eine Durchflu öffnung 88 erstreckt.

Die elastische Aufhängung 86 erstreckt sich von dem mittigen Stö el 87, der bei dem Ventil der vorliegenden Erfindung auch als Ventilsitz bezeichnet werden kann, bis zu einem Randbereich 89, wobei der Randbereich 89, der Stö el 87 und die Aufhängung 86 miteinander innerhalb eines Stö el-Chips einstückig mit mikromechanischen Herstellungsverfahren aus- gebildet sind. Wie bereits bei den vorher beschriebenen Aus- führungsbeispielen kann der Stö el-Chip 90 mittels mikrome- chanischer Methoden aus Silizium gefertigt sein.

Innerhalb der elastischen Aufhängung 86 sind Fluiddurchführ- ungsöffnungen 91 vorgesehen.

Der Stö el-Chip 90 wird von einer Ventilplatte 92 über- spannt, die am Randbereich 89 des Stö el-Chips 90 mit diesem fest verbunden ist. Der Stö el 87 weist an seiner der Ven- tilplatte 92 zugewandten Fläche eine Ventildichtkante 93 auf, die bei Nicht-Betätigung des Ventils gegen die Ventil- platte 92 anliegt. Die Ventildichtkante 93 umschlie t die Durchflu öffnung 88.

Der Stö el ist auf seiner der Ventildichtkante 93 abgewand- ten Seit fluiddicht an der Grundplatte 80 beispielsweise durch eine elektrisch leitfähige Klebeverbindung 94 befes- tigt.

Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Ven- tilplatte 92 aus einer Piezokeramik, deren Längserstreckung sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung ändert.

Zwei Spannungszuführungsleitungen 95, 96 erstrecken sich durch die Grundplatte 80. Eine der Leitungen steht über die elektrisch leitfähige Klebeverbindung 94 mit dem seinerseits elektrisch leitfähigen Stö el-Chip 90 in Verbindung und be- aufschlag somit die Ventilplatten-Piezokeramik 92 von ihrer einen Seite, während ein Bonddraht 95 eine Verbindung der anderen Seite der Ventilplatten-Piezokeramik mit der zweiten Leitung 96 herstellt.

Bei Anlegen einer Spannung an die Piezokeramik, die gleich- zeitig die Ventilplatte 92 bildet, zieht diese sich in ihrer Längserstreckung zusammen, wodurch die durch die Piezokera- mik selbst gebildete Ventilplatte 92 von der Ventildichtkan- te 93 abgehoben wird. In diesem betätigten Zustand öffnet sich die Fluidverbindung von der Druckanschlu öffnung 83 über die Fluiddurchführungsöffnungen 91 und zwischen der Ventilplatte 92 und der Ventildichtkante 93 hindurch zu der Durchflu öffnung 88, die sich durch den Stö el 87 erstreckt und die zur Ausla öffnung 84 in der Grundplatte 80 führt.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel gemä Fig. 5 bildet die Piezokeramik die Ventilplatte 92. Für den Fach- mann ist es jedoch offenkundig, da die Ventilplatte auch durch ein von der Piezokeramik separat ausgebildetes Element ausgeführt sein kann, welches beispielsweise an der dem Stö- el 87 zugewandten Seite der Piezokeramik an dieser befes- tigt ist.

Mit anderen Worten ist es für die Zwecke der Erfindung gleichgültig, ob die piezoelektrische Betätigungsvorrich- tung, die beim Ausführungsbeispiel durch die Piezokeramik gebildet ist, auch die Funktion der Ventilplatte übernimmt, welche im geschlossenen Zustand des Ventils die Durchflu - öffnung innerhalb des Stö els abdeckt, oder ob die Ventil- platte ein separates Element ist, welches lediglich in ge- eigneter Weise durch die Aufhängung 86 gegenüber dem Stö el geführt bewegt wird, wenn die piezoelektrische Betätigungs- vorrichtung betätigt wird.

In Abweichung von den speziell beschriebenen Ausführungsbei- spielen umfa t die vorliegende Erfindung auch Mikroventile, die sich bezüglich ihres Aufbaus, der Anordnung der Durch- la öffnungen, usw. von den beschriebenen Ausführungsbeispie- len unterscheiden, solange bei diesen Mikroventilen die er- findungsgemä e Betätigung des Ventilstö els verwendet ist.

Die vorliegende Erfindung schafft somit Mikroventile, die bei einer relativ geringen Baugrö e relativ gro e Durchla - öffnungen ermöglichen. Ferner ermöglichen die erfindungsge- mä en Mikroventile die Herstellung derselben mittels einer in der Halbleitertechnik üblichen Full-Wafer-Verbindungs- technik. Die erfindungsgmä en Mikroventile weisen somit ge- genüber bekannten Mikroventilen Vorteile bezüglich der Ein- fachheit der Herstellung sowie ferner eine Kostenersparnis bei derselben auf.




 
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