CN103225702B - Mems阀运行轮廓 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS阀运行轮廓。提供了一种具有微机电系统的MEMS流体控制系统。所述系统包括多个口、腔、阀、促动器和一对电触点。多个口与腔连通，阀布置在腔内，且阀连接到促动器。系统进一步包括液压回路，所述液压回路具有与第一多个口连通的压力供给管线，与第二多个口连通的控制管线，和与第三多个口连通的排出管线。阀包括细长部分和阻断部分，所述阻断部分包括第一、第二和第三部分。

Description

MEMS阀运行轮廓

技术领域

本公开总的涉及微机电系统（MEMS），且更特定地涉及用于实现来自MEMS阀的修改的输出响应的阀轮廓。

背景技术

在此部分中的陈述仅提供了与本公开相关的背景信息且可以或可以不构成现有技术。

典型的微机电系统（MEMS）控制阀是使用微制造技术合并在硅基片上的微阀。这些系统具有带有在微米范围内测量的特征的机械部件和电部件。多种微阀装置已用于控制流体回路内的流体流动。典型的微阀装置包括通过装置的固定的体部分支承且运行地联接到促动器的可移动阀。可移动阀能够响应于提供到微阀的电信号而交替地阻断口，这产生了液压信号响应。

在先前的应用中，通过微阀提供的液压响应已适合于应用的要求。然而，当在进一步的应用中利用微阀技术时，应用的属性已要求更精确的流体压力信号，这使用当前的线性阀位置输入已无法实现。作为结果，当利用在要求这样的响应的应用中时，存在对优化微阀的流体压力响应的方法的需求。

因此，当利用在要求此响应的应用中时，在现有技术中存在优化微阀的流体压力响应的方法的余地。

发明内容

提供了微机电流体控制装置，所述装置包括第一板、第二板和中间板。中间板定位在第一板和第二板之间。第一板包括一对电触点腔。第二板包括第一口、第二口和第三口。中间板包括阀、阀腔和促动器。第一口、第二口和第三口与阀腔连通。阀布置在腔内。阀连接到促动器。阀包括细长部分和阻断部分，且阻断部分包括第一部分、第二部分和第三部分。

在本发明的另一个示例中，阻断部分的第一部分包括第一和第二凸表面和第一平面表面。第一凸表面与第二凸表面对置，且第一凸表面和第二凸表面通过第一平面表面连接。

在本发明的另一个示例中，阻断部分的第二部分包括第二和第三平面表面。第二平面表面连接到第一凸表面，且第三平面表面连接到第二凸表面。

在本发明的再另一个示例中，阻断部分的第三部分包括第三和第四凸表面和第四平面表面。第三凸表面与第四凸表面对置，第三和第四凸表面通过第四平面表面连接，第三凸表面连接到第二平面表面，且第四凸表面连接到第三平面表面。

在本发明的再另一个示例中，阻断部分的第一部分包括与第一口选择地连通的第一流体通道。

在本发明的再另一个示例中，阻断部分的第二部分包括第二流体通道，且第二流体通道与第一流体通道和第二口连通。

在本发明的再另一个示例中，阻断部分的第三部分包括第三流体通道，第三流体通道与第二流体通道连通，且第三流体通道与第三口选择地连通。

在本发明的再另一个示例中，阻断部分的第一部分包括通过如下等式限定的流动面积：

其中H表示对于第一和第二部分的总流动面积，k是对于阀设计的常数，且X是在阻断部分的移动方向上的距离。

在本发明的再另一个示例中，阻断部分的第三部分包括通过如下等式限定的流动面积：

。

本发明提供以下技术方案：

1.一种微机电流体控制装置，所述装置包括：

第一板、第二板和中间板，其中中间板定位在第一板和第二板之间，第一板包括一对电触点腔，第二板包括第一口、第二口和第三口，且中间板包括阀、阀腔和促动器；且

其中第一口、第二口和第三口与阀腔连通，阀布置在腔内，且阀连接到促动器；且

其中阀包括细长部分和阻断部分，且阻断部分包括第一部分、第二部分和第三部分。

2.根据方案1所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第一部分包括第一和第二凸表面和第一平面表面，第一凸表面与第二凸表面对置，且第一凸表面和第二凸表面通过第一平面表面连接。

3.根据方案2所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第二部分包括第二和第三平面表面，第二平面表面连接到第一凸表面，且第三平面表面连接到第二凸表面。

4.根据方案3所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第三部分包括第三和第四凸表面和第四平面表面，第三凸表面与第四凸表面对置，第三和第四凸表面通过第四平面表面连接，第三凸表面连接到第二平面表面，且第四凸表面连接到第三平面表面。

5.根据方案1所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第一部分包括与第一口选择地连通的第一流体通道。

6.根据方案5所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第二部分包括第二流体通道，且第二流体通道与第一流体通道和第二口连通。

7.根据方案6所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第三部分包括第三流体通道，第三流体通道与第二流体通道连通，且第三流体通道与第三口选择地连通。

8.根据方案1所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第一部分包括通过如下等式限定的流动面积：

其中H表示对于第一部分和第二部分的总流动面积，k是对于阀设计的常数，且X是在阻断部分的移动方向上的距离。

9.根据方案8所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第三部分包括通过如下等式限定的流动面积：

。

10.一种MEMS流体控制系统，包括：

微机电系统，所述系统包括多个口、腔、阀、促动器和一对电触点，其中多个口与腔连通，阀布置在腔内，且阀连接到促动器；和

液压回路，所述液压回路具有与第一多个口连通的压力供给管线，与第二多个口连通的控制管线，和与第三多个口连通的排出管线，

其中阀包括细长部分和阻断部分，所述阻断部分包括第一、第二和第三部分。

11.根据方案10所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第一部分包括第一和第二凸表面和第一平面表面，第一凸表面与第二凸表面对置，且第一凸表面和第二凸表面通过第一平面表面连接。

12.根据方案11所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第二部分包括第二和第三平面表面，第二平面表面连接到第一凸表面，且第三平面表面连接到第二凸表面。

13.根据方案12所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第三部分包括第三和第四凸表面和第四平面表面，第三凸表面与第四凸表面对置，第三和第四凸表面通过第四平面表面连接，第三凸表面连接到第二平面表面，且第四凸表面连接到第三平面表面。

14.根据方案10所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第一部分包括第一通道，该第一流体通道与第一口选择地连通。

15.根据方案14所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第二部分包括第二流体通道，其中第二流体通道与第一流体通道和第二口连通。

16.根据方案15所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第三部分包括第三流体通道，第三流体通道与第二流体通道连通，且第三流体通道与第三口选择地连通。

17.根据方案10所述的MEMS流体控制系统，其中通过阻断部分的第一部分的流动面积通过如下等式限定：

其中H代表对于第一部分和第二部分的总流动面积，k是对于阀设计的常数，且X是在阻断部分的移动方向上的距离。

18.根据方案17所述的MEMS流体控制系统，其中通过阻断部分的第三部分的流动面积通过如下等式限定：

。

本发明的另外的特征和优点将通过参考如下描述和附图变得显见，其中类似的附图标号指示相同的部件、元件或特征。

附图说明

在此所描述的附图仅用于图示目的，且不意图于以任何方式限制本公开的范围。

图1是MEMS装置的透视图；

图2A是与MEMS装置相关的微阀的平面图；

图2B是与MEMS装置相关的另一个微阀的平面图；

图3A是图2中示出的微阀的沿线3-3截取的横截面视图，其中微阀处于第一位置或未促动位置；

图3B是图2中示出的微阀的一部分的沿线3-3截取的横截面视图，其中微阀处于第二位置或促动位置；

图4A是展示了全曲线轮廓的示例的曲线图，图中示出了理想的排出口打开面积和理想的供给口打开面积；

图4B是展示了响应于排出口和供给口的流动面积的在控制口处的压力的曲线图；

图5A是展示了半曲线轮廓的示例的曲线图，图中示出了排出口打开面积和供给口打开面积；且

图5B是展示了响应于排出口和供给口的流动面积的在控制口处的压力的曲线图。

具体实施方式

如下描述在本质上仅是示例性的且不意图于限制本公开、应用或使用。

参考附图，其中类似的附图标号指示类似的部件，在图1中图示了具有微阀10的形式的微机电装置（MEMS）8的透视图，且现在将对其进行描述。MEMS微阀的多种示例可见于美国专利No.8,011,388，且其公开在此通过参考合并。微阀10典型地安装到歧管（未示出），这便于在微阀的口之间的流体连通。微阀10包括第一板12和第二板14，而中间板16夹在二者之间。微阀的第一板12包括一对电触点18，所述电触点18适合于连接到电源或控制器（未示出）以选择地向微阀10提供电流。

中间板16限定了腔20，而中间板16的固定部分22固定到第一板12和第二板14。中间板包括阀24、阀促动器26和铰链28。阀24布置在中间板16的腔20内，且能够在第一位置和第二位置之间移动。阀24包括细长部分24A和阻断部分24B。阀24的细长部分24A通过铰链28连接到中间板16的固定部分22。在图2A中所示的本发明的第一示例中，阻断部分24B从细长部分24A的一端延伸且包括第一部分24C、第二部分24D和第三部分24E。阻断部分24B的第一部分24C包括第一对凸表面24F，所述凸表面24F形成了第一流动室25A。在板12中在位于下方的流体通道上方的25A的重叠部分组合以形成有效的流动面积34A。阻断部分24B的第二部分24D包括一对平行的表面24G，所述表面24G形成了与第一流动室25A连通的矩形的第二流动室25D。阻断部分24B的第三部分24E包括形成第三流动室25E的第二对凸表面24H。在板12内的位于下方的口32上方的第三流动室25E的重叠部分形成了有效流动面积32A。阻断部分24B的第二部分24D的第三流动室25D与第三流动室25E连通。第一对凸表面24F、平行表面24G和第二对凸表面24H的每个都被连接以提供一个连续的表面。

在如在图2B中所示的本发明的另一个示例中，阻断部分124B从细长部分124A的一端延伸且包括第一部分124C、第二部分124D和第三部分124E。阻断部分124B的第一部分124C包括第一对凸表面124F，所述凸表面124F形成了第一流动室125A。重叠部分125A和板12的位于下方的口34形成了有效的流动面积134A。阻断部分124B的第二部分124D包括一对平行的表面124G，所述表面124G形成了矩形的第二流动室125D，所述流动室125D与第一流动室125A连通。阻断部分124B的第三部分124E包括第二对凸表面124H，所述凸表面124H形成了第二流动室125D。125D的重叠部分和板12的位于下方的口132形成了有效流动面积132A。阻断部分124B的第二部分124D的第二流动室125D与第三流动室125E连通。第一对凸表面124F、平行表面124G和第二对凸表面124H的每个都被连接以提供一个连续的表面。

在图3A和图3B中更清晰地示出的第二板14包括多个流体口。例如，图3A的第二板14包括控制口30、供给口32和排出口34。口30、32、34与中间板16的腔20连通。阀24的阻断部分24B的第一部分24C交替地阻断和接通供给口32与腔20的连通。口30、32、34与歧管内的例如分别以流体通道30B、32B、34B表示的流体通道连通。阀24的阻断部分24B交替地阻断和接通供给口32和排出口34与腔20的连通。

当阀24处于第一位置时，如在图3A中所示，通过阻断部分24B阻断供给口32与腔20的连通。另外，第一位置打开了排出口34和腔20之间的连通，因为阻断部分24B被定位为使得第一流动室25A与排出口34连通。当阀24处于第二位置时，如在图3B中所示，通过阻断部分24B阻断了排出口34与腔20的连通。另外，第二位置打开了供给口32和腔20之间的连通，因为阻断部分24B定位为使得第五流动室25F与供给口32连通。

中间板16的阀促动器26可选择地将阀24从第一位置移动到第二位置。促动器包括细长的脊部26A、多个第一肋部26B和多个第二肋部26C。脊部26A固定到阀24的细长部分24A。多个第一肋部26B的每个包括固定到脊部26A的第一侧的第一端和固定到中间板的固定部分22的第二端。多个第二肋部26C的每个包括固定到脊部26A的第二侧的第一端和固定到中间板的固定部分22的第二端。多个肋部26B、26C设计为当位于与电源接触时热膨胀。多个肋部26B、26C的每个的第一端与第一板12的一对电触点18接触。对置的多个肋部26B、26C布置为与脊部26A以鱼骨形图案成微小的角度，使得当肋部26B、26C伸长时它们推动脊部26A以向阀24移动，从而推动阀24的细长部分24A。铰链28抵抗阀24的细长部分24A的移动，且当阀24枢转到如在图3B中所示的第二位置时作为结果的力使铰链28弯曲。阀24从第一位置到第二位置的移动通过电信号到触点18的输入而控制。

现在参考图4A，阻断部分24的轮廓形状示以图解形式绘出，且现在将进一步描述。在此示例中，轮廓描述为全曲线轮廓，且向供给口32敞开的面积A1数学上如下描述为：

其中X和k是常数，且H是供给口和排出口的总面积，它是基于特定设计的一组特定尺寸的常数。另外，如下等式用于确定排出口34的面积A2：

。

现在参考图4B，曲线图描绘了根据阻断部分24的位置的供给口32A和排出口34A的流动面积A1和A2以及对于信号口30A的控制压力。注意到虽然供给口和排出口二者都在阀行程的开始和结束部分处显示出在流动面积上的突变，但信号口30的控制压力30A仍以相对线性的斜率增加，否则以对于流动面积的线性改变非常低的斜率。另外，供给口和排出口的流动面积中的增益在阀行程的中间部分降低，这使得控制压力30A能以恒定的线性斜率持续增加。

现在参考图5A，图2B的阻断部分124的轮廓形状以图解形式绘出，且现在将进一步描述。在此示例中，轮廓描述为半曲线轮廓，且向供给口32敞开的面积A1数学上如下描述为：

其中H是供给口和排出口的总面积，它是基于特定设计的一组特定尺寸的常数。当然，如下等式用于确定排出口34的面积A2：

。

现在参考图5B，曲线图描述了根据对于图5A的半曲线轮廓的阻断部分24的位置的供给口32A和排出口34A的流动面积A1和A2以及对于信号口30A的控制压力。注意到虽然供给口和排出口二者都在阀行程的开始和结束部分处显示出在流动面积上的突变，但信号口30的控制压力30A仍以相对线性的斜率增加，否则将以对于流动面积的线性改变的非常低的斜率。另外，供给口和排出口的流动面积中的增益在阀行程的中间部分降低，这使得控制压力30A能以恒定的线性斜率持续增加。

本公开的描述仅在本质上是示例的，且不偏离本公开的主旨的变化意图于处于本公开的范围内。这样的变化不视作偏离本公开的精神和范围。

Claims (16)

1.一种微机电流体控制装置，所述装置包括：

第一板、第二板和中间板，其中中间板定位在第一板和第二板之间，第一板包括一对电触点腔，第二板包括第一口、第二口和第三口，且中间板包括阀、阀腔和促动器；且

其中第一口、第二口和第三口与阀腔连通，阀布置在腔内，且阀连接到促动器；且

其中阀包括细长部分和阻断部分，且阻断部分包括第一部分、第二部分和第三部分，其中阻断部分的第一部分包括第一和第二凸表面和第一平面表面，第一凸表面与第二凸表面对置，且第一凸表面和第二凸表面通过第一平面表面连接。

2.根据权利要求1所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第二部分包括第二和第三平面表面，第二平面表面连接到第一凸表面，且第三平面表面连接到第二凸表面。

3.根据权利要求2所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第三部分包括第三和第四凸表面和第四平面表面，第三凸表面与第四凸表面对置，第三和第四凸表面通过第四平面表面连接，第三凸表面连接到第二平面表面，且第四凸表面连接到第三平面表面。

4.根据权利要求1所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第一部分包括与第一口选择地连通的第一流体通道。

5.根据权利要求4所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第二部分包括第二流体通道，且第二流体通道与第一流体通道和第二口连通。

6.根据权利要求5所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第三部分包括第三流体通道，第三流体通道与第二流体通道连通，且第三流体通道与第三口选择地连通。

7.根据权利要求1所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第一部分包括通过如下等式限定的流动面积：

其中H表示对于第一部分和第二部分的总流动面积，k是对于阀设计的常数，且X是在阻断部分的移动方向上的距离。

8.根据权利要求7所述的微机电流体控制装置，其中阻断部分的第三部分包括通过如下等式限定的流动面积：

。

9.一种MEMS流体控制系统，包括：

微机电系统，所述系统包括多个口、一个腔、一个阀、一个促动器和一对电触点，其中多个口与腔连通，阀布置在腔内，且阀连接到促动器；和

液压回路，所述液压回路具有与多个口中的第一口连通的压力供给管线，与多个口中的第二口连通的控制管线，和与多个口中的第三口连通的排出管线，

其中阀包括细长部分和阻断部分，所述阻断部分包括第一、第二和第三部分，其中阻断部分的第一部分包括第一和第二凸表面和第一平面表面，第一凸表面与第二凸表面对置，且第一凸表面和第二凸表面通过第一平面表面连接。

10.根据权利要求9所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第二部分包括第二和第三平面表面，第二平面表面连接到第一凸表面，且第三平面表面连接到第二凸表面。

11.根据权利要求10所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第三部分包括第三和第四凸表面和第四平面表面，第三凸表面与第四凸表面对置，第三和第四凸表面通过第四平面表面连接，第三凸表面连接到第二平面表面，且第四凸表面连接到第三平面表面。

12.根据权利要求9所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第一部分包括第一流体通道，该第一流体通道与第一口选择地连通。

13.根据权利要求12所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第二部分包括第二流体通道，其中第二流体通道与第一流体通道和第二口连通。

14.根据权利要求13所述的MEMS流体控制系统，其中阻断部分的第三部分包括第三流体通道，第三流体通道与第二流体通道连通，且第三流体通道与第三口选择地连通。

15.根据权利要求9所述的MEMS流体控制系统，其中通过阻断部分的第一部分的流动面积通过如下等式限定：

其中H代表对于第一部分和第二部分的总流动面积，k是对于阀设计的常数，且X是在阻断部分的移动方向上的距离。

16.根据权利要求15所述的MEMS流体控制系统，其中通过阻断部分的第三部分的流动面积通过如下等式限定：

。