CN105889623A - 具有改进的致动器的微型阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有改进的致动器的微型阀。该微型阀包括具有限定致动器腔的表面的第一板。第二板具有抵靠第一板表面的表面，并且包括可移动构件，其布置在致动器腔内用于在关闭位置与打开位置之间移动，在所述关闭位置中，可移动构件防止通过微型阀的流体连通，在所述打开位置中，可移动构件不防止通过微型阀的流体连通。致动器连接到所述可移动部件，并且仅具有一对或两对致动器肋。

Description

具有改进的致动器的微型阀

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年11月14日提交的美国临时申请编号62/079,892的权益，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明整体涉及用于控制流体通过流体回路的流动的微型阀。特别地，本发明涉及一种用于这样的微型阀的包括改进的致动器的改进结构，它的使用减少了操作微型阀所需的功率。

背景技术

一般而言，微机电系统是不仅包括电气部件和机械部件两者而且又在实体上较小的系统，其通常包括具有尺寸一般在大约十微米范围内或更小的特征。术语“微机械加工”通常被理解为涉及这样的微机电系统设备的三维结构和活动件的生产。在过去，微机电系统中使用改良的集成电路(例如，计算机芯片)制造技术(诸如化学蚀刻)和材料(诸如硅半导体材料)，所述材料被微机械加工以提供这些非常小的电气和机械部件。然而，最近，其他的微机械加工技术和材料已变得可用。

如本文所使用的，术语“微机械加工设备”指的是包括具有的尺寸在微米的范围内或更小的特征的设备，并且由此至少部分地通过微机械加工形成。同样如本文所使用的，术语“微型阀”指的是包括具有的尺寸在微米的范围内或更小的特征的阀，并且由此至少部分地通过微机械加工形成。最后，术语“微型阀设备”指的是不仅包括微型阀并且还包括其他部件的微机械加工设备。应当注意的是，如果不是微型阀的部件包括在所述微型阀设备内，这些其他部件可以是微机械加工部件或者是标准尺寸(即，更大)部件。类似地，微机械加工设备既可包括微机械加工部件又可包括标准尺寸部件。

多种微型阀结构在本领域中已知用于控制流体通过流体回路的流动。一种公知的微型阀结构包括可移动构件，其支撑在设置于阀体中的封闭的内部空腔内，用于在关闭位置与打开位置之间进行枢转运动或其他运动。当置于关闭位置时，所述可移动构件基本上堵塞了第一流体端口(否则该第一流体端口与第二流体端口流体连通)，从而防止流体在第一与第二流体端口之间流动。当置于打开状态时，所述可移动构件基本没有堵塞第一流体端口与第二流体端口的流体连通，从而允许流体在第一与第二流体端口之间流动。

在常规的热致动微型阀结构中，已经发现的是，在某些情况下，降低操作热致动微型阀所需的功率是所希望的。由此，所希望的是提供一种用于微型阀的改进结构，其利于降低操作微型阀所需要的功率。

发明内容

本发明涉及一种包括改进的致动器结构的改进微型阀，其提供所需的致动器刚度，但减少操作微型阀所需的功率。所述微型阀包括：具有限定致动器腔的表面的第一板。第二板具有抵靠第一板表面的表面，并且包括可移动构件，其布置在致动器腔内用于在关闭位置与打开位置之间移动，在所述关闭位置中，可移动构件防止通过微型阀的流体连通，在所述打开位置中，可移动构件不防止通过微型阀的流体连通。致动器连接到所述可移动部件，并且仅具有一对或两对致动器肋。

当考虑附图阅读时，本发明的许多方面从以下详细描述中对本领域技术人员将变得显而易见。

附图说明

图1是微型阀的基本结构的分解透视图，其包括盖板、中间板和底板。

图2是图1所示的微型阀的基本结构的透视图，其示出为组装好的。

图3是用于现有技术微型阀的常规盖板的内表面的平面图。

图4是用于现有技术微型阀的常规中间板的平面图。

图5是用于现有技术微型阀的常规底板的内表面的平面图。

图6是一种常规中间板的第二实施例的平面图，其具有包括三对致动器肋的致动器。

图7是一种改进中间板的第一实施例的平面图，其具有根据本发明的改进致动器。

图8是一种改进中间板的第二实施例的平面图，其具有根据本发明的改进致动器。

具体实施方式

现在参照附图，在图1和图2中示出了微型阀1的基本结构，在所示出的范围内，其既代表用于微型阀的传统结构又代表用于根据本发明的微型阀的改进结构。示出的微型阀1包括盖板2、中间板3和底板4。盖板2具有外表面5和内表面6。以本领域中公知的方式，盖板2还具有贯穿其中形成的一个或多个开口(两个这样的开口2a和2b在所示实施例中示出)，其允许一个或多个电导线(未示出)从中穿过。中间板3具有第一表面7和第二表面8。底板4具有内表面9和外表面10。以本领域中公知的方式，底板4也具有一个或多个这样的贯穿其中形成的开口(三个这样的开口4a、4b和4c示出在所示实施例中)，其允许流体流入和流出微型阀1。

当微型阀1被如图2所示地组装时，盖板2的内表面6接合中间板3的第一表面7，底板4的内表面9接合中间板3的第二表面8。盖板2、中间板3和底板4可以任何期望的方式被保持在这种取向上。例如，盖板2和/或底板4的一部分可以粘结到中间板3，诸如通过熔融粘结、化学粘结、或物理粘结(例如，机械紧固件和/或粘合剂)。盖板2、中间板3和底板4可由任何所需的材料或材料组合组成。例如，盖板2、中间板3和底板4可以由硅和/或类似材料组成。

用于现有技术微型阀的常规盖板2的内表面6的结构在图3中详细地示出。如其中所示，常规盖板2包括设置在内表面6上的致动器腔，其总体以11表示。图示的致动器腔11包括上致动器臂腔部11a、中致动器臂腔部11b、下致动臂腔部11c、致动器肋腔部11d、致动器脊腔部11e和致动器铰接腔部11f。上致动器臂腔部11a具有一对设置在其中的凹入区域12a和12b。图示的致动器腔11还具有设置在其中的一个或多个压力均衡凹陷13。

用于现有技术微型阀的常规中间板3的结构详细地示于图4中。如其中所示，常规的中间板3包括总体以60表示的可移动构件，其包括具有一对贯穿其中形成的开口61a和61b的密封部61。密封部61通过细长臂部62连接到与常规中间板3一体地形成的铰接部63。中间板3还包括致动器37，其包括多个通过中央脊65在密封部61与铰接部63的中间位置处连接到细长臂部62的致动器肋34。如在下面描述的和在图8中示出的，常规微型阀可包括具有三个致动器肋34的致动器。

如图4所示，所述多个致动器肋34(观察图4时的上肋34)的第一部分的第一端部在其第一端部处柔性地接合到中间板3的第一非运动部分。所述多个致动器肋34的第一部分的第二端部连接到中央脊65。中间板3的第一非运动部分电连接到设置在中间板3上的第一焊盘(未示出)。同样地，多个致动器肋34(观察图4时的下肋34)的第二部分的第一端部在其第一端部处柔性地接合到中间板3的第二非运动部分。所述多个致动器肋34的第二部分的第二端部也连接到中央脊65。中间板3的第二非运动部分电连接到设置在中间板3上的第二焊盘(未示出)。除了通过多个致动器肋34之外，第二焊盘与所述第一焊盘电隔离。

以本领域中公知的方式，电流可从第一焊盘通过多个致动器肋34传递到第二焊盘。这样的电流导致多个致动器肋34的热膨胀，这导致中央脊65的轴向移动。如上所述，中央脊65连接到细长臂部62。因此，中央脊65的轴向移动导致可移动构件60的细长臂部62(以及因此的密封部61)绕铰接部63枢转，或以其他方式相对于中间板3的其余部分移动(这样的移动发生在由中间板3的其余部分所限定的平面内)。由此，图示的可移动构件60起到常规微机电系统的热致动器的作用。

常规底板4的内表面9的结构详细地示于图5中。如在那里示出的，常规底板4包括总体上以40指示的致动器腔，其设置在它的内表面9上。图示的致动器腔40包括上致动器臂腔部40a、中致动器臂腔部40b、下致动臂腔部40c、致动器肋腔部40d、致动器脊腔部40e，以及铰接腔部40f。图示的致动器腔体40还具有设置在其中的一个或多个压力均衡凹陷41。

图6示出了用于诸如微型阀1的常规微型阀的中间板43的第二实施例。中间板43类似于中间板3，并且可以与在图2、图3和图5中所示的盖板2和底板4一起使用。类似于中间板3，中间板43具有第一表面47和第二表面(未示出)。中间板43包括可移动构件60。可移动构件60包括具有一对贯穿其中形成的开口61a和61b的密封部61。密封部61通过细长臂部62连接到与常规中间板43一体地形成的铰接部63。中间板43与中间板3的不同之处在于，所述中间板43的致动器57包括三对而不是四对致动器肋56。如图6所示，每个致动器肋56具有在约120μm至约130μm范围内的宽度X。

三对致动器肋56通过中央脊65在密封部61与铰接部63的中间位置处连接到细长臂部62。各肋56布置在从与中间板43的侧边缘平行的线L1测量的角度A1处。在所示的实施例中，角度A1是约5度。

每对致动器肋56通过细长开口72a、72b、72c和72d与相邻的一对肋56分离，或与中间板43分离。中间板43还包括贯穿中间板43形成的通道70a、70b、70c和70d。通道70a、70b、70c和70d将细长开口72a连接到细长开口72d。

通道70a、70b、70c和70d以及其中一个细长开口72d的纵向延伸的侧边缘也限定了隔离区域74的边界，除了通过所述一对致动肋56之外，所述边界将隔离区域74与中间板43的其余部分在实体上分离。

如图6中进一步示出的，所述多个致动器肋56(观察图6时的上致动器肋56)的第一部分的第一端部在其第一端部处柔性地接合到中间板43的第一非运动部分。所述多个致动器肋56的第一部分的第二端部连接到中央脊65。中间板43的第一非运动部分电连接到设置在中间板43上的第一焊盘(未示出)。同样地，多个致动器肋56(观察图6时的下致动器肋56)的第二部分的第一端部在其第一端部处柔性地接合到中间板43的第二非运动部分。所述多个致动器肋56的第二部分的第二端部也连接到中央脊65。中间板43的第二非运动部分电连接到设置在中间板43上隔离区域74内的第二焊盘(未示出)。由此，除了通过多个致动器肋56之外，第二焊盘与所述第一焊盘电隔离。

图7示出了一种总体以103表示的中间板，其具有根据本发明第一实施例的改进的致动器137。中间板103类似于中间板43，并且可以与在图2、图3和图5中所示的盖板2和底板4一起使用。类似于中间板43，中间板103具有第一表面107和第二表面(未示出)。中间板103包括可移动构件60和密封部61，所述密封部61具有一对贯穿其中形成的开口61a和61b。密封部61通过细长臂部62连接到铰接部63。

中间板103与中间板43的不同之处在于它包括改进的致动器137。中间板103的改进致动器137包括两对致动器肋134，而不是三对致动器肋56。根据公式：宽度Y1＝X+1/2X，其中X＝常规致动器肋56的宽度，每个致动器肋134具有比常规致动器57中的类似肋56的宽度X更宽的宽度Y1。也如图7中所示，各肋134的一部分已经被去除以限定孔136。示出的孔136具有约1/2X的宽度Z1，其中X＝常规致动器肋56的宽度。可选地，孔136可以与所示出的不同，并且具有达到所需致动器刚度必需的任何所需尺寸和形状。

如图6所示并且如上所述，已知致动器肋56具有在约120μm至约130μm范围内的宽度X。相应地，致动器肋134可具有在约184μm至约191μm范围内的宽度Y1。此外，形成在致动器肋134中的孔136可具有在约59μm至约66μm范围内的宽度Z1。

两对致动器肋134通过中央脊65在密封部61与铰接部63的中间位置处连接到细长臂部62。各肋134布置在从与中间板103的侧边缘平行的线L2测量的角度A2处。在所示的实施例中，角度A2约为5.25度。可选地，角度A2可以在约4.25度至约6.25度的范围内。

每对致动器肋134通过细长开口172a、172b和172c与相邻的一对肋或与中间板103分离。中间板103还包括贯穿中间板103形成的通道170a、170b、170c和170d。通道170a、170b、170c和170d将细长开口172a连接到细长开口172c。

通道170a、170b、170c和170d以及细长开口172c的纵向延伸的侧边缘也限定了隔离区域174的边界，除了通过所述一对致动肋134之外，所述边界将隔离区域174与中间板103的其余部分在实体上分离。

如图7中进一步示出的，所述多个致动器肋134(观察图7时的上致动器肋134)的第一部分的第一端部在其第一端部处柔性地接合到中间板103的第一非运动部分。所述多个致动器肋134的第一部分的第二端部连接到中央脊65。中间板103的第一非运动部分电连接到设置在中间板103上的第一焊盘(未示出)。同样地，多个致动器肋134(观察图7时的下致动器肋134)的第二部分的第一端部在其第一端部处柔性地接合到中间板103的第二非运动部分。所述多个致动器肋134的第二部分的第二端部也连接到中央脊65。中间板103的第二非运动部分电连接到设置在中间板103上隔离区域174内的第二焊盘(未示出)。由此，除了通过多个致动器肋134之外，第二焊盘与所述第一焊盘电隔离。

图8示出了一种总体以203表示的中间板，其具有根据本发明第二实施例的改进的致动器237。中间板203类似于中间板103，并且可以与在图2、图3和图5中所示的盖板2和底板4一起使用。类似于中间板103，中间板203具有第一表面207和第二表面(未示出)。中间板203包括可移动构件60和密封部61，所述密封部61具有一对贯穿其中形成的开口61a和61b。密封部61通过细长臂部62连接到铰接部63。

中间板203与中间板103的不同之处在于改进的致动器237仅包括一对致动器肋234。各致动器肋234具有宽度Y2，其中Y2＝2X。各肋234的一部分已经被去除以限定孔236。示出的孔236具有宽度Z2，其中Z2＝X。可选地，孔236可以与所示出的不同，并且具有达到所需致动器刚度必需的任何所需尺寸和形状。在致动器237中，在一对肋234中的肋134的宽度Y2，以及孔236的尺寸和形状，可以基于所需的致动器刚度和阻力水平并通过常规实验确定。

如图6所示，并且如上面所描述的，已知致动器肋56具有在约120μm至约130μm范围内的宽度X。相应地，致动器肋234可具有在约245μm至约255μm范围内的宽度Y2。此外，形成在致动器肋234中的孔236可具有在约120μm至约130μm范围内的宽度Z2。

所述一对致动器肋234通过中央脊65在密封部61与铰接部63的中间位置处连接到细长臂部62。各肋234布置在从与中间板203的侧边缘平行的线L3测量的角度A3处。在所示的实施例中，角度A3是约6度。可选地，角度A3可以在约5度至约7度的范围内。

所述一对致动器肋234通过细长开口272a和272b与中间板203分离。中间板203还包括贯穿中间板203形成的通道270a、270b、270c和270d。通道270a、270b、270c和270d将细长开口272a连接到细长开口272b。

通道270a、270b、270c和270d以及细长开口272b的纵向延伸的侧边缘也限定了隔离区域274的边界，除了通过所述一对致动肋234之外，所述边界将隔离区域274与中间板203的其余部分在实体上分离。

如图8中进一步示出的，所述第一致动器肋234(观察图8时的上致动器肋234)的第一端部柔性地接合到中间板203的第一非运动部分。所述第一致动器肋234的第二端部连接到中央脊65。中间板203的第一非运动部分电连接到设置在中间板203上的第一焊盘(未示出)。同样地，第二致动器肋234(观察图8时的下致动器肋234)的第一端部柔性地接合到中间板203的第二非运动部分。所述第二致动器肋234的第二端部也连接到中央脊65。中间板103的第二非运动部分电连接到设置在中间板203上隔离区域274内的第二焊盘(未示出)。由此，除了通过多个致动器肋234之外，第二焊盘与所述第一焊盘电隔离。

在一些应用中可能希望的是减少操作诸如上述微型阀1的热致动微型阀所需要的功率，而同时保持肋的刚度或弹簧系数。例如，在致动器57的致动期间，即，当施加电流导致致动器肋56的热膨胀时，致动器肋56表现为并联的电阻器。因此，可能需要降低致动器肋56的对的数量，以减少操作微型阀1所需的功率。

然而，应该理解的是，作为从致动器57去除一对或多对致动器肋56的结果，致动器57的刚度，即致动器57的弹簧系数或对感应力的抵抗，可能被不希望地和负面地影响，使得致动器57的刚度相对于有3或4对肋的致动器被不希望地降低。其结果是，由于在微型阀1中的流体流动力，或者由于其他的感应力，仅具有两对肋56的致动器可能变得易于出现不希望的运动，所述感应力诸如来自污染或静摩擦引起的摩擦。

已经发现的是，在仅具有两对肋56的致动器(未示出，但类似于致动器57)中增加致动器肋56的宽度提高了致动器的刚度，但降低了致动器的电阻。例如，致动器57需要约10.8瓦特的功率进行操作，并且具有约0.232N/μm的弹簧系数。仅具有两对肋56的类似致动器仅需要约7.2瓦的功率进行操作。然而，仅具有两对肋56的致动器经历了弹簧系数从约0.232N/μm的期望水平至约0.178N/μm的降低。在弹簧系数上的这种不希望降低增大了微型阀1对流动力的易感性，这可以对微型阀1的滞后性和线性产生负面影响。

有利地，已经进一步发现的是，通过除去每个肋134中央的选择部分(实施为图7中的孔136)，所述致动器的电阻可因而升高到所希望的水平，而保持所需的致动器刚度，诸如约0.232N/μm的弹簧系数。

还已经发现的是，当模拟微型阀致动器在电致动过程中所经历的力的2牛顿的负载被分别施加到致动器57和致动器137时，肋56和134分别的位移是基本相同的。优选地，当承受2牛顿的负载时，致动器137将保持约0.232N/μm的期望弹簧系数，而只需要在约4.5瓦特至约7.0瓦特范围内的功率进行操作。显著地，当承受2牛顿的负载时，所示致动器137保持约0.232N/μm的期望弹簧系数，而有利地仅需要约6.6瓦特的功率进行操作。

本发明的原理和操作模式已经在其优选实施例中说明并示出。然而，必须理解的是，在不脱离其精神或范围的情况下，本发明可以与所具体说明和示出的不同地实施。

Claims (20)

1.一种微型阀，包括：

第一板，其包括具有致动器腔设置在其中的表面；

第二板，其具有抵靠所述第一板表面的表面，并且包括布置在所述致动器腔内用于在关闭位置与打开位置之间移动的可移动构件，在所述关闭位置中，所述可移动构件防止通过所述微型阀的流体连通，在所述打开位置中，所述可移动构件不防止通过所述微型阀的流体连通；和

连接到所述可移动部件的致动器，所述致动器仅具有一对或两对致动器肋。

2.根据权利要求1所述的微型阀，其中，所述一对或两对致动器肋与所述第二板一体地形成，以用于在所述关闭与打开位置之间移动所述可移动构件。

3.根据权利要求2所述的微型阀，其中，所述各致动器肋包括贯穿其中形成的孔。

4.根据权利要求3所述的微型阀，其中，所述致动器被连接到电源，使得电流通过所述致动器的致动器肋，其中，所述电流引起所述致动器肋的热膨胀。

5.根据权利要求4所述的微型阀，其中，贯穿所述致动器中的各致动器肋形成的所述孔被构造为使得电阻相对于没有所述孔的相同致动器肋增加。

6.根据权利要求3所述的微型阀，其中，所述致动器被构造为使得所述致动器需要在约4.5瓦特至约7.0瓦特范围内的功率进行操作。

7.根据权利要求5所述的微型阀，其中，所述孔是多个孔。

8.根据权利要求5所述的微型阀，其中，所述各致动器肋的宽度是在约184μm至约191μm的范围内。

9.根据权利要求5所述的微型阀，其中，所述孔的宽度是在约59μm至约66μm的范围内。

10.一种微型阀，包括：

底板，其包括表面、设置在所述表面内的凹入区域，以及设置在所述凹入区域内的第一和第二流体端口；

盖板，其包括表面、设置在所述表面内的凹入区域；

中间板，其具有抵靠所述底板表面的第一表面和抵靠所述盖板表面的第二表面，所述中间板包括定位为防止所述第一与第二流体端口之间的流体连通的可移动构件，和打开位置，其中，所述可移动构件定位为允许所述第一与第二流体端口之间的流体连通；和

连接到所述可移动部件的致动器，所述致动器仅具有一对或两对致动器肋。

11.根据权利要求10所述的微型阀，其中，所述中间板限定一个平面，并且其中，当在所述关闭与打开位置之间移动时，所述可移动构件平行于所述平面移动。

12.根据权利要求10所述的微型阀，其中，所述一对或两对致动器肋与所述中间板一体地形成，以用于在所述关闭与打开位置之间移动所述可移动构件。

13.根据权利要求12所述的微型阀，其中，所述各致动器肋包括贯穿其中形成的孔。

14.根据权利要求13所述的微型阀，其中，所述致动器被连接到电源，使得电流通过所述致动器的致动器肋，其中，所述电流引起所述致动器肋的热膨胀。

15.根据权利要求14所述的微型阀，其中，贯穿所述致动器中的各致动器肋形成的孔被构造为使得电阻相对于没有所述孔的相同致动器肋增加。

16.根据权利要求13所述的微型阀，其中，所述致动器被构造为使得所述致动器需要在约4.5瓦特至约7.0瓦特范围内的功率进行操作。

17.根据权利要求15所述的微型阀，其中，所述孔是多个孔。

18.根据权利要求15所述的微型阀，其中，所述各致动器肋的宽度在约184μm至约191μm的范围内。

19.根据权利要求15所述的微型阀，其中，所述孔的宽度在约59μm至约66μm的范围内。

20.根据权利要求15所述的微型阀，其中，所述致动器肋通过中央脊连接到所述可移动构件的细长臂部分，用于在所述关闭位置与打开位置之间移动所述可移动构件。