CN111486270A

CN111486270A - 双端口mems硅流量控制阀

Info

Publication number: CN111486270A
Application number: CN202010078707.XA
Authority: CN
Inventors: E.N.富勒; P.阿鲁纳萨兰; C.杨; J.A.奥杰达
Original assignee: Dunan Microstaq Inc
Current assignee: Dunan Microstaq Inc
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2040-02-03
Also published as: US20200240547A1; US11353140B2

Abstract

微型阀包括第一板，该第一板具有限定致动器腔的表面。第二板具有一表面，该第二板的表面邻接第一板的表面，并且包括设置在致动器腔内的可移位构件，用于在关闭位置和打开位置之间移动，在关闭位置，可移位构件防止通过微型阀的流体连通，在打开位置，可移位构件不防止通过微型阀的流体连通。致动器连接到可移位构件。可移位构件包括密封部分，该密封部分具有从其一端向内延伸的多个细长控制臂，其中控制臂被配置为用于第一板中的多个流体流动开口中的每个的阀关闭构件。

Description

双端口MEMS硅流量控制阀

技术领域

本发明总体上涉及一种用于控制通过流体回路的流体流动的MEMS阀。具体而言，本发明涉及一种用于热致动MEMS阀的改进结构，该阀具有多个流体端口，该流体端口可配置为常开或常闭流量控制阀。

背景技术

微机电系统(MEMS)是一类实体很小的系统，其特征尺寸在微米范围内；即大约10μm或更小。这些系统既有电气部件，也有机械部件。术语“微机械加工”通常被理解为指MEMS装置的三维结构和运动部件的生产。MEMS最初使用改良的集成电路(计算机芯片)制造技术(如化学蚀刻)和材料(如硅半导体材料)来微加工这些非常小的机械装置。今天，有更多的微加工技术和材料可用。本申请中使用的术语“微机械加工装置”是指具有约10μm或更小尺寸的一些特征的器件，因此根据定义，至少部分由微机械加工形成。更具体地说，本申请中使用的术语“微型阀”是指具有约10μm或更小尺寸特征的阀，因此根据定义，至少部分通过微机械加工形成。本申请中使用的术语“微型阀装置”是指包括微型阀并且可以包括其他部件的微机械加工装置。应当注意，如果微型阀装置中包括除微型阀之外的部件，这些其它部件可以是微机械加工部件或标准尺寸(较大)的部件。类似地，微机械加工设备可以包括微机械加工部件和标准尺寸(较大)的部件。

已经提出了各种微型阀装置来控制流体回路中的流体流动。典型的微型阀装置包括由主体可移动地支撑的可移位构件或阀部件，用于在关闭位置和完全打开位置之间移动。当置于关闭位置时，阀部件基本上阻塞或关闭第一流体端口，否则第一流体端口与第二流体端口流体连通，从而基本上防止流体在流体端口之间流动。当阀部件从关闭位置移动到完全打开位置时，流体越来越多地被允许在流体端口之间流动。

美国专利No.6,523,560、No.6,540,203、No.6,845,962和No.8,011,388描述了由多层材料制成的微型阀，这些专利的公开内容在此通过引用并入本文。多层被微加工并结合在一起以形成微型阀主体和包含在其中的各种微型阀部件，包括具有微型阀的可移动部件的中间机械层。可移动部件通过从中间机械层移除材料(通过已知的微机械装置制造技术，例如但不限于深反应离子蚀刻)来形成可移动阀元件，该可移动阀元件通过弹簧状构件保持连接到部件的其余部分。通常，通过在材料上形成槽的图案来去除材料，以获得期望的形状。然后，可移动阀元件将能够在一个或多个方向上移动大致等于狭槽宽度的量。

尽管它们有用，但是传统的微型阀可能有不希望有的局限性。美国专利No.8,011,388是具有这种不希望有的限制的高流量/高压微型阀的一个例子，其公开内容通过引入并入本文。如图25、25和27所示，阀200在阀的两端具有流体流动端口，并且进一步限于在阀200的两端(即肋的每一端)具有流体流动端口。此外，阀门外表面上的焊接区域位于中心并与肋相对。由于流体流动端口在肋的两端，肋中的材料热膨胀不匹配可能发生，并导致阀以不可预测的方式致动。这种材料热膨胀不匹配的出现也可能在阀与安装歧管的焊接界面中引起应力，从而导致焊接失效。

然而，希望提供一种改进的微型阀，其可配置为常开或常闭流量控制阀。

发明内容

本发明涉及一种改进的微型阀，该微型阀包括第一板，该第一板具有限定致动器腔的表面。第二板具有一表面，该第二板的表面邻接第一板的表面，并且包括设置在致动器腔内的可移位构件，用于在关闭位置和打开位置之间移动，在关闭位置，可移位构件防止通过微型阀的流体连通，在打开位置，可移位构件不防止通过微型阀的流体连通。致动器连接到可移位构件。可移位构件包括密封部分，该密封部分具有从其一端向内延伸的多个细长控制臂，其中控制臂被配置为用于第一板中的多个流体流动开口中的每个的阀关闭构件。

当根据附图阅读时，从下面对优选实施例的详细描述中，本发明的各个方面对于本领域技术人员来说将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的包括盖板、中间板和基板的微型阀的基本结构的分解透视图；

图2是图1所示微型阀的盖板、中间板和基板的基本结构的另一分解透视图；

图3是图1和2所示微型阀的基板的内表面的平面图；

图4是图1和2所示微型阀的中间板的第一表面的平面图；

图5是图1和2所示微型阀盖板的外表面的平面图；

图6是图1、2和3所示微型阀的基板的外表面的平面图；

图7是图1、2和4所示中间板的第二表面的平面图；

图8是图1、2和5所示盖板内表面的平面图；

图9是安装在基板上的中间板的平面图，示出了配置为常闭阀的微型阀；

图10是图9所示的中间板和基板的一部分的平面图，示出了处于半打开位置的常闭微型阀；

图11是图10所示的中间板和基板的一部分的平面图，示出了处于全开位置的常闭微型阀；

图12是图1和图2中所示微型阀的一部分的平面图，示出了组装好并处于全开位置；

图13是沿着图12的线13-13截取时的截面图；

图14是沿着图12的线14-14截取的截面图；

图15是图14所示微型阀的一部分的放大视图。

具体实施方式

现在参考附图，在图1至15中示出了根据本发明的微型阀1的改进结构。图示的微型阀1包括盖板2、中间板3和基板4。盖板2具有外表面5和内表面6。盖板2还具有穿过其中形成的一个或多个开口(在所示实施例中示出了两个这样的开口2A和2B)，以本领域公知的方式，该开口允许一根或多根导电线(未示出)穿过其中。中间板3具有第一表面7和第二表面8。基板4具有内表面9和外表面10。基板4还具有一个或多个贯穿其中形成的开口，该开口以本领域公知的方式允许流体流入和/或流出微型阀1。在图示的实施例中，基板4具有穿过其中形成的四个这样的开口4A、4B、4C和4D，这些开口被配置为入口。此外，图示的实施例包括被配置为出口的一个开口4E。

当微型阀1以已知方式组装时，盖板2的内表面6接合中间板3的第一表面7，基板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和基板4可以以任何期望的方式保持在该取向。例如，盖板2和/或基板4的部分可以结合到中间板3，例如通过熔接、化学结合或物理结合(例如，机械紧固件和/或粘合剂)。盖板2、中间板3和基板4可以由任何期望的材料或材料组合构成。例如，盖板2、中间板3和基板4可以由硅和/或类似材料构成。

盖板2的内表面6的结构在图8中详细示出。如图所示，盖板2包括设置在其内表面6上的致动器腔，通常用11表示。图示的致动器腔11包括上致动器臂腔部分11A、中央致动器臂腔部分11B、下致动器臂腔部分11C、致动器肋腔部分11D、致动器脊腔(spine cavity)部分11E和致动器铰链腔部分11F。上致动器臂腔部分11A具有设置在其中的四个凹陷区域12A、12B、12C和12D。

如图8所示，密封结构13形成在每个凹陷区域12A、12B、12C和12D周围的内表面6中。密封结构13从致动器腔11的底面延伸，并且完全围绕凹陷区域12A、12B、12C和12D的周边。在图示的实施例中，每个密封结构13是横截面形状大致为梯形的壁，并且包括四个直线延伸的壁段，其邻近凹陷区域12A、12B、12C和12D的四个侧边延伸。然而，密封结构13可以形成为具有任何期望的横截面形状或形状组合，并且可以进一步以任何期望的方式(直线或其他方式)围绕凹陷区域12A、12B、12C和12D延伸。例如，密封结构13可以基本上如图8和13至15所示形成，但是可以在相邻直线延伸的壁段之间具有圆角，具有一个或多个非直线延伸的壁段，或者形状完全非直线。

中间板3的结构在图4和7中详细示出。如图所示，中间板3包括可移位构件，总体用20表示，该可移位构件包括位于大致矩形开口24内的密封部分22，该开口24具有从开口24的第一端(当参见图4和7时，开口24的上端)向内延伸的三个细长平衡分流器(balancediverter)26。密封部分22具有第一端(当观察图4和7时的上端)和第二端(当观察图4和7时的下端)，并且包括细长平衡臂28和从密封部分的第二端向内延伸的四个细长控制臂30、31。每个控制臂30、31被配置为用于每个入口开口4A、4B、4C和4D的阀关闭构件。三个控制臂30中的每个都包括穿过其中形成的一对开口32。第四控制臂31(当观察图4时最右边的控制臂30)包括开口32中的一个和一个开口34(当观察图4时开口34位于控制臂31的下端)。开口34还包括形成在其中的平衡凹口36(当观察图4时，平衡凹口36形成在开口34的下端)。平衡分流器26还在相邻的控制臂30、31之间延伸。

密封部分22通过细长臂部38连接到与中间板3一体形成的铰链部分40。中间板3还包括致动器42，该致动器42包括多个致动器肋44。致动器42通过中心脊46在密封部分22和铰链部分40中间的位置连接到细长臂部38。

密封部分的替代实施例在图12至15中以22’示出。密封部分22’包括多个控制臂30’和31’。每个控制臂30’包括一个细长的矩形开口32’。控制臂31’包括一个细长且大致矩形的开口34’，开口34’中形成有平衡凹口36’(当观察图12至15时，平衡凹口36’形成在开口34’的下端)。

如图4和7所示，多个致动肋44的第一部分的第一端(当观察图4和7时的上肋44)在其第一端柔性地连接到中间板3的第一非移动部分。多个致动肋44的第一部分的第二端连接到中心脊46。中间板3的第一非移动部分电连接到设置在中间板3上的第一连结盘(未示出)。类似地，多个致动肋44的第二部分的第一端(当观察图4和7时的下肋44)在其第一端柔性地连接到中间板3的第二非移动部分。多个致动肋44的第二部分的第二端也连接到中心脊46。中间板3的第二非移动部分电连接到设置在中间板3上的第二连结盘(未示出)。除了通过多个致动器肋44之外，第二连结盘与第一连结盘电隔离。

中间板3还可以包括穿过中间板3形成的一个或多个通道，例如通道48。通道48穿过中间板3形成，以在致动器肋44的第二部分的第一端处限定大致矩形的隔离区域50，除了穿过多个致动器肋44之外，将隔离区域50与中间板的所有其余部分物理分离。如上所述，盖板2和基板4不导电。第二连结盘(未示出，但是形成在隔离区50内)因此与第一连结盘(未示出)电绝缘，而不是通过多个致动器肋44。

以本领域众所周知的方式，电流可以从第一连结盘通过多个致动器肋44流到第二连结盘。这种电流导致多个致动器肋44热膨胀，这导致中心脊46轴向移动。如上所述，中央脊柱46连接到细长臂部38。因此，中心脊46的轴向运动导致可移位构件20的细长臂部38(以及密封部22)围绕铰链部40枢转，或者相对于中间板3的其余部分运动(这种运动发生在由中间板3的其余部分限定的平面内)。因此，所示的可移位构件20的功能类似于传统的微机电系统热致动器。

基板4的内表面9的结构在图3中详细示出。如图所示，基板4包括设置在其内表面9上的致动器腔，通常用52表示。图示的致动器腔52包括上致动器臂腔部分52A、中央致动器臂腔部分52B、下致动器臂腔部分52C、致动器肋腔部分52D、致动器脊腔部分52E和铰链腔部分52F。

密封结构15也形成在每个开口4A、4B、4C和4D周围的内表面9中。密封结构15在其他方面与密封结构13相同，在此不再进一步描述。如图6所示，基板4的外表面10包括在肋44上方(当观察图6时在线54上方)的焊接区域56。

图示的微型阀1被配置为常闭阀。在微型阀1的致动或通电期间，多个肋44通过使电流通过而被加热。多个肋44随后经历热膨胀和伸长，这将可移动的中心脊46推向可移位的伸长臂部38，该臂部38可操作地连接到其上。然后，可移位的细长臂部38在铰链部40处弯曲或挠曲，以适应可移动的中央脊部46的移动，从而导致密封部22沿着弧形运动路径移动到受力位置(stressed position)，这将打开常闭入口流体端口4A、4B、4C和4D。结果，当致动器42在经组装的微型阀1的操作过程中处于致动、通电和受力位置时，允许入口流体端口4A、4B、4C和4D与出口流体端口4E之间的流体连通，如图11所示，该图示出了处于完全打开位置的微型阀1。应当理解，图9示出了处于关闭位置的微型阀1，图10示出了处于半开位置的微型阀1。

在未致动或断电期间，多个肋44通过不使电流通过而被冷却。多个肋44随后经历热收缩，这促使可移动中心脊46远离可移位细长臂部38，该可移位细长臂部38可操作地联接到其上。然后，可移位细长臂部38在铰链部40处变直，以适应可移动的中央脊部46的移动，从而导致密封部22沿着弧形运动路径向后移动，以返回到松弛位置，该松弛位置阻塞常闭入口流体端口4A、4B、4C和4D，如图9所示。

图示的微型阀1在一侧(即底部或表面10上)具有所有流体端口4A、4B、4C、4D和4E。可选地，微型阀1也可以在两侧(表面10和5)形成有流体端口，从而在包装设计中提供灵活性。例如，入口流体端口4A、4B、4C和4D可以在底部(表面10)上，出口流体端口4E可以在顶部(表面5)上。

有利的是，相对于类似的已知微型阀，例如上述美国专利No.8,011,388中描述的微型阀，通过微型阀1的流体流动得到改善。阀1的许多结构特征结合起来为微型阀1提供改进的、平衡的流体流动。在微型阀1中，所有流体端口4A到4E都位于致动器肋44的一端。另外，可移位构件20的密封部分22包括平衡臂28、控制臂30和在第四控制臂31中的平衡凹口36。此外，开口24包括细长的平衡分流器26。

平衡分流器26被配置成在操作过程中平衡微型阀1中的流动力。然而，当控制臂30、31从关闭位置移动到全开位置时，流动力的平衡会以对通过微型阀1的流体流动产生负面影响的方式改变。平衡臂28和平衡凹口36被具体配置为在控制臂30、31从关闭位置到全开位置的移动范围内以及在微型阀1上的压力差(例如高达约3.5Mpa的压力差)范围内微调流动力的平衡。这种流动力平衡的微调是通过改变流体流动方向来实现的。

期望的是，在微型阀中，来自流体流动中涉及的所有表面的力的总和是非常轻微的负力，例如在x方向上小于或等于大约0.6牛顿的力(例如参见图10)。已经表明，不具有本文描述的改进特征的传统微型阀经受的流动力比改进的微型阀1经受的流动力高一个数量级，例如大于大约2牛顿。

图示微型阀1的特征可以根据微型阀1的应用和操作环境而改变。例如，平衡分流器26可以针对数量、长度、宽度和间距进行调节。平衡臂28可以调节长度、宽度和间距。平衡凹口36也可以被调节成在可移位构件20的密封部分22的行程中的中途(part way)打开，以允许流体围绕控制臂31的右侧(当观察图10和11时)流动，该流体流动产生压力。已经表明，没有凹口36，力的总和将在正x方向上，即，力的总和将用于促使微型阀1打开。另外，作为进一步的缺点，当微型阀处于全开位置时，正x方向上的力将阻止微型阀1关闭。

本发明的原理和操作模式已经在其优选实施例中进行了解释和说明。然而，必须理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明可以不同于具体解释和说明的方式实施。

Claims

1.一种微型阀，包括:

第一板，该第一板包括表面，该表面具有设置在其中的致动器腔；

第二板，该第二板具有表面，该第二板的表面邻接第一板的表面并且包括设置在致动器腔内的可移位构件，用于在关闭位置和打开位置之间移动，在关闭位置，可移位构件防止通过微型阀的流体连通，在打开位置，可移位构件不防止通过微型阀的流体连通；和

连接到可移位构件的致动器；

其中所述可移位构件包括密封部分，该密封部分具有从其一端向内延伸的多个细长控制臂，该控制臂被配置为用于第一板中的多个流体流动开口中的每个的阀关闭构件。

2.根据权利要求1所述的微型阀，其中控制臂中的每个都具有穿过其形成的开口。

3.根据权利要求2所述的微型阀，其中，所述控制臂中的外侧一个包括形成在穿过其形成的开口中的平衡凹口。

4.根据权利要求3所述的微型阀，其中，所述可移位构件还包括细长的平衡臂，该平衡臂邻近与形成有平衡凹口的控制臂相反的控制臂中的外侧一个。

5.根据权利要求1所述的微型阀，其中，所述可移位构件还包括邻近所述控制臂中的外侧一个的细长平衡臂。

6.根据权利要求4所述的微型阀，其中，所述可移位构件包括位于所述第二板中的开口内的密封部分，所述开口具有多个细长的平衡分流器，该平衡分流器从所述开口的第一端向内延伸到控制臂中的相邻控制臂之间的空间中。

7.根据权利要求6所述的微型阀，其中，所述平衡臂和所述平衡凹口被配置成在所述控制臂从所述关闭位置到所述打开位置的移动范围内以及在所述微型阀上的压差范围内微调所述流动力的平衡。

8.根据权利要求4所述的微型阀，其中控制臂中的三个是第一控制臂，并且控制臂中的一个是第二控制臂。

9.根据权利要求8所述的微型阀，其中所述第一控制臂具有穿过其形成的两个开口，并且其中所述第二控制臂具有穿过其形成的两个开口，其中一个开口包括平衡凹口。

10.根据权利要求9所述的微型阀，其中，所述可移位构件包括位于所述第二板中的开口内的密封部分，所述开口具有三个细长的平衡分流器，该平衡分流器从所述开口的第一端向内延伸到控制臂中的相邻控制臂之间的空间中。

11.根据权利要求8所述的微型阀，其中，所述第一控制臂具有穿过其中形成的一个开口，并且其中所述第二控制臂具有穿过其中形成的一个开口，所述第二控制臂中的一个开口包括平衡凹口。

12.根据权利要求11所述的微型阀，其中，所述可移位构件包括位于所述第二板中的开口内的密封部分，所述开口具有三个细长的平衡分流器，该平衡分流器从所述开口的第一端向内延伸到控制臂中的相邻控制臂之间的空间中。

13.一种微型阀，包括:

第一板，该第一板包括表面，该表面具有设置在其中的第一致动器腔；

第二板，该第二板具有第一表面，该第一表面邻接第一板的表面，并且包括设置在致动器腔内的可移位构件，用于在关闭位置和打开位置之间移动，在关闭位置，可移位构件防止通过微型阀的流体连通，在打开位置，可移位构件不防止通过微型阀的流体连通；

第三板，该第三板包括一表面，该第三板的表面具有设置在其中的第二致动器腔；其中第二板具有邻接第三板的表面的第二表面；和

连接到可移位构件的致动器；

14.根据权利要求13所述的微型阀，其中控制臂中的每个都具有穿过其形成的开口。

15.根据权利要求14所述的微型阀，其中，所述控制臂中的外侧一个包括形成在穿过其形成的开口中的平衡凹口。

16.根据权利要求15所述的微型阀，其中，所述可移位构件还包括细长的平衡臂，该平衡臂邻近与其中形成有平衡凹口的控制臂相反的控制臂中的外侧一个。

17.根据权利要求13所述的微型阀，其中，所述可移位构件还包括邻近所述控制臂中的外侧一个的细长平衡臂。

18.根据权利要求16所述的微型阀，其中，所述可移位构件包括位于所述第二板中的开口内的密封部分，所述开口具有多个细长的平衡分流器，该平衡分流器从所述开口的第一端向内延伸到控制臂中的相邻控制臂之间的空间中。

19.根据权利要求18所述的微型阀，其中，所述平衡臂和所述平衡凹口被配置成在所述控制臂从所述关闭位置到所述打开位置的移动范围内以及在所述微型阀上的压差范围内微调所述流动力的平衡。

20.根据权利要求16所述的微型阀，其中控制臂中的三个是第一控制臂，控制臂中的一个是第二控制臂；其中第一控制臂具有穿过其中形成的两个开口；其中第二控制臂具有穿过其中形成的两个开口，其中开口中的一个包括平衡凹口；并且其中可移位构件包括位于第二板中的开口内的密封部分，该开口具有从开口的第一端向内延伸到控制臂中的相邻控制臂之间的空间中的三个细长平衡分流器。