CN112340690A - 微结构流体流动控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微结构流体流动控制装置，该装置具有基板，其第一基板侧布置有压电致动第一膜片，基板具有流体通道，流体通道在第一基板侧和与其相对的第二基板侧之间延伸穿过基板。另外，微结构流体流动控制装置还包括延伸穿过流体通道的微型阀和第二膜片，微型阀被构造为在未致动状态下闭合流体通道，第二膜片布置在第一基板侧上且与第一膜片隔开，并且布置在流体通道和压电致动第一膜片之间。根据本发明，第二膜片与微型阀连结，并且朝向第一膜片机械地偏置，从而向微型阀施加偏置力(FV)，其中偏置力(FV)是使微型阀在未致动状态下闭合流体通道的回复力(FR)的一部分。

Description

微结构流体流动控制装置
技术领域
本发明涉及一种微结构流体流动控制装置，特别是涉及就比例阀而言的微结构阀和可控流动电阻。一些实施例提供了一种具有压电膜片致动器和反向传动元件的常闭型微型阀以及一种具有压电盘致动器的常闭型微型阀。
背景技术
本发明属于微流体技术领域，特别是属于微型计量技术领域，其中，可以以计量方式输出微升和亚微升范围内的极少量。特别地，微型计量技术被用于医学领域，例如(皮下)微型计量贴剂、导管、植入物等。然而，微型计量技术也可以有利地在工业环境中使用，例如在微型液压装置或微型气动装置中，作为超细油计量的切断阀等。
微型计量技术中的许多应用都需要精确控制流体流量的装置，以及液压或气动流体回路中的主动切断装置，尽可能降低能耗。另外，在电源故障的情况下，经常需要处在闭合状态。其示例性应用是体外或植入式药物计量系统，其中不适当的计量可能造成一系列的后果，还有工业应用，例如向高速球轴承连续供应少量润滑剂。在这种情况下，失电闭合型阀门作为切断装置，能够防止在电源故障或功能故障情况下的未致动状态下排空注油计量通道。在本文中，这种在无电流或未致动状态下闭合流体通道的特性也称为“常闭”。
在微型计量技术中，例如为此目的使用压电致动的微型泵，其中，可以通过压电元件致动泵膜片，也称为压电膜片致动器。设计这样的元件的挑战在于压电膜片致动器的原理及性能。它们的力/偏转能力不对称。例如，如果将盘形压电膜片致动器应用于膜片，通过施加正电场会发生横向收缩，导致膜片的向下偏转。然而，当施加负电压时，膜片致动器会向上弯曲。由于压电物理学，与正电压相反，在压电元件重新极化之前只能施加相对较低的负电压。
因此，特别是在向下移动方向上，致动器可以以技术上高效的方式被有利地使用，也就是相对于其结构尺寸，具有高开启力和大偏转。这在常闭型微型阀的小型化中特别重要，由于压电膜片致动器仅具有几微米的竖直冲程且在开启状态经常需要高流速。另外，该冲程也会被存在的偏置压力或流体压力减小。
专利DE 100 48 376C1描述了一种常闭型微型阀，即一种在未致动状态下闭合流体通道的微型阀。在致动器膜片的第一侧上布置有压电陶瓷，通过该压电陶瓷致动器膜片能够向下偏转。在致动器膜片的第二侧上布置有挺杆，挺杆用于在膜片偏转时移动布置在其下方的阀瓣。挺杆被实施为使得其与致动器膜片成一体。
一方面，该微型阀的设计相对并不复杂。然而由于上述压电致动膜片固有的短冲程，固定在致动器膜片上的挺杆在闲置状态下应该与阀瓣直接接触，以确保致动器膜片的冲程能够在非闲置行程中尽可能直接地致动阀瓣。然而，由于制造公差，致动器膜片和阀瓣之间的距离可能太小，以至于在闲置状态下挺杆已经使阀瓣稍微偏转。这将导致阀瓣在闲置状态下稍微开启，从而不再能确保常闭型微型阀的密封性。
为了在致动器膜片和阀瓣之间创建距离，专利US 9 410 641B2提供了一种具有压电致动膜片的微型泵，其在未致动状态下能够机械地偏置。当制造微型泵时，在压电膜片致动器上施加电压。该电压使压电膜片致动器向外弯曲，因此使与其连接的膜片向外弯曲。膜片和压电膜片致动器的该弯曲布置被安装在泵基材上。安装后移除电压。这导致膜片能够在未致动状态下机械地偏置，且远离基材弯曲且与阀瓣隔开。
因此，在闲置状态下，可以获得在阀瓣和致动阀瓣的挺杆之间的距离，以能够确保专利DE 100 48 376C1中描述的常闭型微型阀阀瓣在闲置状态下不通过挺杆保持开启。以这种方式，可以在闲置状态下确保密封性。
然而，由于制造公差，偏置膜片可能偏转过大，以至于在闲置状态下安装在其上的挺杆与阀瓣之间的距离过大。由于上述压电致动膜片固有的短冲程，可能导致冲程不足以适当地致动阀瓣。
可以尝试在制造过程中最小化上述制造公差。然而，由于这些是微结构部件，因此需要投入大量努力来优化对应微米或纳米范围内的制造公差。然而，制造公差最小化和质量控制需要的成本过高，这又与简单且成本有效的设计需求相矛盾。
通常在这种微结构的泵、阀或流体流动控制器的生产中，在简单且成本有效的设计与高精度生产之间存在目标冲突，该高精度生产允许使用最大可能的冲程致动和在闲置状态下紧固闭合以能够确保常闭的功能。
因此，将期望提供一种能够解决上述目标冲突并避免上述问题的微结构流体流动控制装置。
发明内容
因此，提出了一种微结构流体流动控制装置。该微结构流体流动控制装置包括基板、微型阀和第二膜片。基板的第一基板侧上布置有压电致动第一膜片，所述基板具有流体通道，所述流体通道在所述第一基板侧和与其相对的第二基板侧之间延伸穿过所述基板。微型阀延伸穿过所述流体通道，被构造为在未致动状态下闭合所述流体通道。第二膜片布置在所述第一基板侧上且与所述压电致动第一膜片隔开，并且布置在所述流体通道和所述压电致动第一膜片之间。所述第二膜片与所述微型阀连结，并且朝向所述第一膜片机械地偏置，从而向所述微型阀施加偏置力(FV)。偏置力(FV)是使所述微型阀在未致动状态下闭合所述流体通道的回复力(FR)的一部分。
该流体流动控制装置的实施例和其他有利方面在下面的描述中进行说明。
本发明第一基本实施方案涉及一种微结构流体流动控制装置，其至少具有两个膜片。该微结构流体流动控制装置包括基板，基板的第一基板侧上布置有压电致动第一膜片。另外，该微结构流体流动控制装置包括流体通道，流体通道在第一基板侧和与其相对的第二基板侧之间延伸穿过基板。优选地，流体通道竖直地且尽可能笔直地延伸穿过基板。流体通道能使在流体流动控制装置与周围区域之间进行流体交换。另外，微结构流体流动控制装置包括微型阀，微型阀至少部分地延伸穿过流体通道。微型阀被构造为在未致动状态下闭合流体通道，即微型阀被构造为常闭型阀门。原则上，微型阀在开启位置和闭合位置间可移动，并且优选地连续可调。微型阀可以采用至少两个极端位置，即开启位置和闭合位置，即流体流动控制装置在“完全开启”和“完全闭合”两种状态之间进行控制。微型阀可以采用在这两个极端位置之间的任意数量的位置，即流体流动控制装置可以以任意方式控制流经流体通道的流体流。根据本发明的该第一实施方案，微结构流体流动控制装置包括第二膜片。与压电致动第一膜片相似，第二膜片布置在第一基板侧上并与第一膜片隔开。第二膜片布置在第一基板侧上且在流体通道和第一压电致动膜片之间。为此，例如第一压电致动膜片可以布置在基板的位于第一基板侧上的第一主表面上，其中第一主表面限定第一水平基板平面。凹槽，其中布置有第二膜片，可以在基板的第一主表面中的第一膜片下方被构造。该凹槽限定第二水平基板平面，即第一膜片可以布置在第一基板平面上，第二膜片可以布置在位于下方的第二基板平面上，从而使第二膜片布置在流体通道和第一膜片之间。根据本发明，第二膜片与微型阀连结，即第二膜片与微型阀牢固连接。优选地，第二膜片与微型阀不可分离地或永久地连接。例如，微型阀和第二膜片可以相互粘接、胶接或焊接。例如，微型阀可以用材料配合和/或形状配合和/或力配合的方式与第二膜片连结。另外，根据本发明，第二膜片朝向第一膜片机械地偏置。该机械偏置向微型阀施加偏置力。该偏置力又是使微型阀在未致动状态下从第二基板侧闭合流体通道的回复力的一部分。如开头提到的，流体通道在第一和第二基板侧之间完全延伸穿过基板。即，流体通道包括位于第一基板侧的开启的第一流体通道和位于第二基板侧的开启的第二流体通道。在第一基板侧上，微型阀延伸至开启的第一流体通道之外并在那里与偏置的第二膜片连结。在相对的第二基板侧上，微型阀可以闭合开启的流体通道，以尽可能地流体密封。因此，布置在第一侧上的第二膜片用于偏置微型阀，其中位于相对的第二基板侧上的微型阀部分由于偏置在未致动状态下闭合开启的第二流体通道。由此可以获得常闭型微型阀。为了释放或开启流体通道，在与回复力相反的方向上，微型阀可以通过压电致动第一膜片被致动，其中偏置力形成该回复力的一部分。与上述传统技术相比，本发明的流体流动控制装置的优点在于以下事实，在偏置膜片时，制造公差可以被允许到显著更高的程度，因为第二膜片的一部分偏置足以通过微型阀以密封的方式闭合流体通道。即，第二膜片不能完全回到其偏置初始位置，以将微型阀拉回足够远的位置，从而使流体通道以密封的方式闭合。因此，制造公差可以被允许到显著更高的程度，导致显著节省了流体流动控制装置的开发和生产成本。另外，本发明的流体流动控制装置还包括简单且不复杂的设计，这也导致了生产资源的最小化。
根据一个实施例，微型阀可以相对于流体流动方向布置，从而使在该流体流动方向上流动的流体向微型阀施加流体压力，其中除了偏置力之外，流体压力也作用在微型阀上，其中偏置力和流体压力是使微型阀在未致动状态下闭合流体通道的回复力的一部分。因此，例如，流体通道可以构造为进口通道，其中流体从第二基板侧进入流体通道。相应地，微型阀至少部分地布置在该进口中，且由于第二膜片引起的偏置力，可以在未致动状态下闭合第二基板侧上的进口。在这种情况下，流体压力也从第二基板侧作用在微型阀上。也可以说，流体压力从下方作用于微型阀，并将其推向基板。在这种情况下，优选地流体压力可以在与偏置力相同的方向上作用，从而使回复力随着流体压力的大小而增加。即，回复力由流体压力和偏置力产生。因此，在进口侧，微型阀不仅由于偏置是常闭的，而且由于流体压力是自堵塞的。
本发明的流体流动控制装置的另一个优点是，其也可以在相反的方向上，即在出口侧，由于偏置是常闭的，而且由于流体压力是自堵塞的。根据这样的实施例，微型阀可以相对于流体流动方向布置，使得在该流体流动方向上流动的流体向第二膜片施加流体压力，其中除了偏置力之外，流体压力也作用在与第二膜片连结的微型阀上，其中偏置力和流体压力是使微型阀在未致动状态下闭合流体通道的回复力的一部分。因此，例如，流体通道可以构造为出口通道，其中流体在第二基板侧离开流体通道。相应地，微型阀至少部分地布置在该出口中，且由于第二膜片引起的偏置力，微型阀可以在未致动状态下闭合第二基板侧上的出口。流体压力的第一部分从上方作用于微型阀，也可以说，即，与偏置力相反，通常会导致微型阀开启。然而，在这种情况下，流体压力的较大的第二部分作为偏置力作用在第二膜片上，优选地是在与偏置力相同的方向上作用，从而使总的回复力随着流体压力第二部分的大小而增加。也就是说，流体压力的该第二部分和偏置力是回复力的共同部分。在随后的描述中，将参考附图使其更加清楚。
因此，微型阀是通过压电致动第一膜片主动致动的一种阀门。这必须与通过存在的流体压力被动控制的常规止回阀或节流止回阀区分开来。这样的止回阀通常也会偏置，例如通过螺旋弹簧。然而如果施加的流体压力与偏置力相反并且大于偏置力，则这些阀门仅会向上开启。这些阀只能在一个方向上起作用，因此必须以依赖方向的方式安装。然而，本发明的流体流动控制装置包括主动致动微型阀。因此，无论流体流动方向如何，它都可以安装。另外，由于主动驱动，可以比常规的止回阀更精确地控制它。
根据第一实施方案的一个实施例，压电致动第一膜片被构造为与第二膜片接触并在致动状态下使第二膜片偏置，以便使与其连结的微型阀在与回复力相反的方向上移动。在该实施例中，第一膜片直接作用于第二膜片并使第二膜片偏转。这导致微型阀通过压电致动第一膜片间接地经由第二膜片被致动。
根据第一实施方案的又一个实施例，微型阀可以包括布置在其上的阀盘和阀轴，其中阀盘布置在朝向远离第一膜片的第二基板侧上，且阀轴延伸穿过流体通道朝向布置在第一基板侧上的第一膜片。位于第二基板侧上的开启的第二流体通道上可以设置有阀座，阀盘可以配合在该阀座中。因此，阀盘可以以尽可能流体密封的方式闭合第二基板侧上的流体通道。以这样的方式构造的微型阀包括简单且不复杂的设计。
根据第一实施方案的又一个实施例，阀轴的一部分可以延伸穿过第二膜片从而使该部分布置在第一膜片与第二膜片之间，其中在未致动状态下，压电致动第一膜片被构造为与该部分接触，并由此使阀轴在与回复力相反的方向上移动。本实施例中，膜片直接作用在微型阀上，即作用在延伸穿过第二膜片的阀轴的该部分上。这导致微型阀通过压电致动第一膜片被直接致动的事实。任选地，另外第一膜片可以直接作用在第二膜片上，以使其偏转，并由此间接致动微型阀。
根据第一实施方案的又一个实施例，在未致动状态下压电致动第一膜片可以与阀轴的延伸穿过第二膜片的该部分隔开。因此，例如，可以在第一膜片与微型阀之间设置间隙或缝隙以在初始偏转压电致动第一膜片时实现闲置行程，从而可以更好地补偿制造公差。缝隙的优点在于，可以将微型阀通过第二膜片紧固地拉到闭合位置，即使压电组装过程存在偏差。因此，可以确保将压电致动膜片设置到零位。
根据第一实施方案的又一个实施例，延伸穿过第二膜片的阀轴部分可以与第一膜片连结。在这种情况下，应当更精确地维持制造公差，然而，压电致动第一膜片的竖直冲程可以在没有初始闲置冲程时被在最大可能程度上使用。
根据第一实施方案的又一个实施例，压电致动第一膜片在远离第二膜片的方向上被机械地偏置，从而压电致动第一膜片在未致动状态下与第二膜片隔开。在这种情况下，(偏置的)第一膜片生产中的制造公差和偏置的第二膜片生产中的制造公差可能会在按比例较大的程度上被容许。
根据第一实施方案的又一个实施例，压电致动第一膜片可以包括一个或多个通风孔。这对于改变环境条件是有利的，例如关于可以通过通风孔补偿改变的环境压力。
根据第一实施方案的又一个实施例，微结构流体流动控制装置可以仅包括非磁性材料。这对将本发明的流体流动控制装置用作患者可永久携带(例如通过植入)的医疗装置来说特别有利。非磁性流体流动控制装置的优点是，对MRT(磁共振断层扫描)检查没有干扰影响。
根据又一个实施例，压电致动第一膜片可以包括20μm到50μm的竖直冲程。这能将本发明的微结构流体流动控制装置与宏观结构的阀门和泵显著区分开。
根据又一个实施例，压电致动第一膜片可以包括在25μm到150μm之间的膜片厚度。可选地或附加地，第二膜片可以包括在25μm到150μm之间的膜片厚度。这样的膜片厚度非常适合在本发明的流体流动控制装置中使用，使流体控制装置的整体设计尽可能平坦。
作为上述相同问题的替代解决方案，在第二实施方案中提出了具有单个偏置膜片的微结构流体流动控制装置。根据该实施方案，流体控制装置包括基板，其具有布置在第一基板侧上的压电致动膜片和流体通道，流体通道在第一基板侧和与其对应的第二基板侧之间延伸穿过基板。流体流动控制装置进一步包括微型阀，其上布置有阀盘和阀轴，其中阀盘布置在朝向远离膜片的第二基板侧上，阀轴延伸穿过流体通道朝向布置在第一基板侧的膜片。根据本发明，压电致动膜片与阀轴连结，且在朝向远离基板的方向上机械地偏置，从而使偏置力施加于微型阀。偏置力是使阀盘在未致动状态下闭合流体通道的回复力的一部分。根据该第二实施方案，流体流动控制装置仅包括与微型阀连结的单个机械偏置的膜片，其同时执行两个功能。一方面，该膜片被用作致动器膜片，可通过压电元件偏转且驱动微型阀。另一方面，由于偏置，膜片导致以下事实：使回复力施加于微型阀，以在未致动状态下闭合流体通道。当通过压电元件致动致动器膜片时，其在与偏置方向相反的方向上弯曲，且使微型阀与回复力相反地偏转，从而使微型阀在致动状态下开启流体通道。仅提供一个同时执行上述两个功能的膜片导致简单且并不复杂的设计。
然而，原则上，参考第一实施方案描述的所有内容也适用于第二实施方案。原则上，第一实施方案的实施例的特征还可以与第二实施方案的实施例相结合，反之亦然。
附图说明
在附图中示例性地示出了一些实施例，随后将对其进行更详细地描述。在附图中：
图1示出了根据本发明第一实施方案的流体流动控制装置的剖面侧视示意图；
图2A示出了根据本发明第一实施方案的流体流动控制装置在未致动状态下的剖面侧视示意图；
图2B示出了根据本发明第一实施方案的流体流动控制装置在致动状态下的剖面侧视示意图；
图3A示出了根据本发明第一实施方案的流体流动控制装置在未致动状态下的剖面侧视示意图；
图3B示出了根据本发明第一实施方案的流体流动控制装置在致动状态下的剖面侧视示意图；
图4A示出了根据本发明第一实施方案的流体流动控制装置在未致动状态下的剖面侧视示意图，其中，微型阀被构造为进口阀门；
图4B示出了根据本发明第一实施方案的流体流动控制装置在未致动状态下的剖面侧视示意图，其中，微型阀被构造为出口阀门；
图5示出了本发明的流体流动控制装置的特征致动器曲线；
图6示出了本发明的流体流动控制装置的压力/通过量示意图；
图7A示出了根据本发明第二实施方案的流体流动控制装置在未致动状态下的剖面侧视示意图；且
图7B示出了根据本发明第二实施方案的流体流动控制装置在致动状态下的剖面侧视示意图。
具体实施方式
在下文中，参考附图更详细地描述实施例，其中，具有相同或相似功能的元件具有相同的附图标记。
图1示出了根据本发明第一实施例的微结构流体流动控制装置100。
流体流动控制装置100包括基板110。基板110可以是半导体基板且可以包括硅，或者基板110可以是金属基板且可以包括金属，例如不锈钢或钛，或可以由其制造。基板110包括第一基板侧111和与其相对的第二基板侧112。基板110包括位于第一基板侧111上的第一主表面121和位于相对的第二基板侧112上的第二主表面122。压电致动第一膜片101布置在第一基板侧111上。例如，如示例性示出的，压电致动第一膜片101可以布置在基板110的第一主表面121上，例如通过粘接方式。因此，基板110上的第一主表面121可以限定第一水平基板平面L1，其中在这种情况下，压电致动第一膜片101布置在第一水平基板平面L1上。
压电致动第一膜片101可以包括压电元件108。压电元件108可以布置在第一膜片101的朝向远离基板110的一侧。通过向压电元件108施加电压(例如负电压)，压电元件108将横向膨胀，导致第一膜片101向上弯曲，即，在远离基板110的方向上。通过向压电元件108施加数值相反的电压(例如正电压)，压电元件108将横向收缩，导致第一膜片101向下偏转，即，在朝向基板110的方向上。
流体流动控制装置100进一步包括流体通道104。流体通道104在第一基板侧111和与其相对的第二基板侧112之间延伸穿过基板110。流体通道104在第一基板侧111和第二基板侧112之间竖直地且尽可能笔直地以及连续地延伸。
另外，流体流动控制装置100包括微型阀105。微型阀105包括完全位于流体通道104内并且完全延伸穿过流体通道104的阀门部分105A。
微型阀105被构造为常闭型阀门。即，微型阀105被构造为在未致动状态下闭合流体通道104。
为此，本发明的流体流动控制装置100包括第二膜片102。压电致动第一膜片101和/或偏置的第二膜片102可以包括金属或半导体，例如，硅，或可以由其制造。第二膜片102也可以布置在第一基板侧111上。例如，可以在基板110的第一主表面121上构造凹槽106。第二膜片102可以布置在该凹槽106中。凹槽106可以限定第二水平基板平面L2，其中第二膜片102布置在该第二水平基板平面L2上。更笼统地说，基板110可以包括在第一基板侧111上的一个或多个第一水平基板平面L1和第二水平基板平面L2，其可以在竖直方向上相互隔开，其中第一膜片101布置在第一水平基板平面L1上，第二膜片102布置在第二水平基板平面L2。
第一水平基板平面L1可以比第二水平基板平面L2与第二基板侧112隔开更远。原则上，第一水平基板平面L1和第二水平基板平面L2可以相互竖直地隔开。因此，第一膜片101也可以布置为与第二膜片102竖直地隔开。流体通道104布置在第二膜片102下方，即，第二膜片102布置在第一流体通道104和压电致动第一膜片101之间。
根据本发明的第一实施方案，第二膜片102与微型阀105连结。即，微型阀105和第二膜片102彼此牢固地连接，优选地，永久且不可分离地连接。例如，微型阀105可以与第二膜片102粘接、胶接或焊接。
另外，根据本发明，第二膜片102机械地偏置，即，向上，即，朝向第一膜片101。由于该机械偏置，偏置力FV施加于微型阀105上，其中偏置力FV是使微型阀105在未致动状态下闭合流体通道104的回复力FR的一部分。即：
FR＝FV+X，
其中X＝0或可以是任选的另外分力。
本文中压电致动第一膜片101也被称为致动器膜片。与微型阀105连结的偏置第二膜片102也被称为阀门膜片。根据实施例，第一膜片101也可以被机械地偏置。
从根本上说，可以根据在专利US 9 410 641 B2中描述的方法对第一膜片101、第二膜片102进行机械偏置，且该专利中的内容通过引用明确并入本文。
图2A和2B示出了根据本发明第一实施方案的另一个实施例的流体流动控制装置100，其具有两个膜片，第一膜片101和第二膜片102。图2A示出了在未致动状态下的流体流动控制装置100，图2B示出了在致动状态下的流体流动控制装置100。
这里示出的流体流动控制装置100包括布置在第一基板侧111和第一水平基板平面L1上的压电致动第一膜片101。另外，流体流动控制装置100包括布置在第一基板侧111和第二水平基板平面L2上的机械偏置的第二膜片102。
如图2A所示，除了第二膜片102，第一膜片101也可以机械地偏置。由于偏置，第一膜片100可以至少部分地延伸至第一水平基板平面L1之外。这增大了第一膜片101和第二膜片102之间的距离。
第二膜片102也机械地偏置，即，朝向第一膜片101，即，原则上，第二膜片102可以在与第一膜片101相同的方向上偏置。第二膜片102的偏置力直接作用于与第二膜片102连结的微型阀105上，且向上拉动微型阀105，即朝向第一膜片101。因此，如图2A所示，微型阀105在未致动状态下闭合流体通道104。
图2B示出了流体流动控制装置100的致动状态。这里，示例性地将+300V的电压施加到压电元件108上。结果显示，压电元件108收缩，且使第一膜片101向下偏转，即朝向第二膜片102。
第一膜片101与第二膜片102接触，因而使第二膜片102偏转。这里，通过压电元件108施加到第一膜片101上的致动力FB大于作用在微型阀105上的回复力FR。这就是微型阀105在与回复力FR相反的方向上致动的原因，其随后将释放或开启流体通道104。
如果不再施加电压，则第一膜片101返回到图2A所示的其未致动的初始位置。回复力FR的大小再次超过致动力FP的大小，从而使微型阀105也返回到如图2A所示的其未致动的初始位置，且再次闭合流体通道104。此功能也称为常闭。
图3A和3B示出了根据本发明第一实施方案的又一个实施例的流体流动控制装置100，其具有两个膜片，第一膜片101和第二膜片102。图3A示出了在未致动状态下的流体流动控制装置100，图3B示出了在致动状态下的流体流动控制装置100。
不同之处在于，微型阀105包括阀盘116和布置在其上的阀轴117。阀盘116布置在朝向远离第一膜片101的第二基板侧112上，且在未致动状态下闭合流体通道104。更确切地说，阀盘116闭合布置在第二基板侧112上的开启的流体通道。
阀轴117从阀盘116开始，延伸穿过流体通道104，朝向第一基板侧111直至第二膜片102。
除了图2A和2B所示的实施例，图3A和3B所示的阀轴117包括延伸穿过第二膜片102且突出至第二膜片102之外朝向第一膜片101的部分115。即，阀轴117的延伸穿过第二膜片102的该部分115布置在第一膜片101和第二膜片102之间。
如图3B所示，当施加电压时，压电元件108使第一膜片101向下偏转，即，朝向流体通道104。在这种情况下，偏转的第一膜片101与阀轴117的突出穿过第二膜片102的部分115接触。在这种情况下，被施加的致动力FP通过该部分115直接作用在阀轴117上，因此直接作用在整个微型阀105上。如果致动力FP的大小大于回复力FR的大小，微型阀105或阀盘116从流体通道104中被抬开，并将流体通道104开启。
如果不再施加电压，则第一膜片101再次返回到图3A所示的未致动的初始位置。在这种情况下，回复力FR的大小再次超过致动力FP的大小，从而使微型阀105也返回到图3A所示的其未致动的初始位置，且阀盘116再次闭合流体通道104。
图4A和4B再次示出了本发明的在未致动状态下的流体流动控制装置100以更加详细地描述作用力。
在图4A中，流体400从周围区域流向流体通道104。因此，在该实施例中，流体通道104将是进口通道，而微型阀105将被构造为进口阀门。如果微型阀105开启，流体400可进入第二膜片102和基板110之间的空间402中，该空间也被称为流体室，并且流体400可从出口通道401离开。
在示出的情况下，除了由第二膜片102偏置引起的偏置力FV之外，流体力FF也直接作用在微型阀105上。在本实施例中，例如，流体力FF直接从下方作用在阀盘116上，即，从周围区域。在这种情况下，流体力FF的作用方向与偏置力FV基本相同。因此，可以提高常闭效果，其中微型阀105在未致动状态下闭合流体通道104。在这种情况下，回复力FR基本上由偏置力FV和附加作用力FF组成，即：
FR＝FV+FF
更笼统地说，微型阀105相对于流体流动方向布置，使得在该流体流动方向上流动的流体400向微型阀105施加流体压力FF，其中除了偏置力FV以外，流体压力FF也作用在微型阀105上，并且流体压力FF的作用方向与偏置力FV相同，其中偏置力FV和流体压力FF是使微型阀105在未致动状态下闭合流体通道104的回复力FR的一部分。
因此，在进口方向，流体流动控制装置100不仅是常闭的还是自堵塞的。
在图4B中，流体400从周围区域流经进口404并进入第二膜片102和基板110之间的空间402，空间402被也称为流体室。因此，在该实施例中，流体通道104是出口通道，而微型阀105将被构造为出口阀门。
在这种情况下，流体力FF的第k部分FK从上方作用在微型阀105上，特别是在阀盘106上，即从第一基板侧111，在与回复力FR相反的方向上作用。流体力FF的第m部分FM从下方在与回复力FR相同的方向上作用于第二膜片102，即，朝向第一膜片101。
在一个实施例中，第二膜片102包括用于流体400的第一冲击表面AM，且阀盘116包括用于流体400的第二冲击表面AV。在这种情况下，第二膜片102提供了用于流体400的更大的冲击表面，即AM>AV。流体压强PF作用在相应的冲击表面AM或AV上，且产生成比例的流体力，即FM＝PF·AM和FK＝PF·AK。由于在流体压强PF相同时，AM>AV，则FM>FV。即，作用在第二膜片102朝向回复力FR的力FM大于作用在微型阀105上与回复力FR相反的力FV。
更笼统地说，微型阀105可以相对于流体流动方向进行布置，使得在该流体流动方向上流动的流体400向第二膜片102施加流体压力FM，其中除了偏置力FV之外，流体压力FM也作用在与第二膜片102连结的微型阀105上，并且与偏置力FV的方向相同，其中，偏置力FV和流体压力FM是使微型阀105在未致动状态下闭合流体通道104的回复力FR的一部分。
因此，本发明的流体流动控制装置100在进口方向和出口方向均可以是常闭和自堵塞的。
在前面关于图2A至3B讨论的实施例中，压电致动第一膜片101在未致动状态下与阀轴117的延伸穿过第二膜片102的部分115隔开。例如，压电致动第一膜片101可以在远离第二膜片102的方向上机械地偏置，从而使压电致动第一膜片101在未致动状态下与第二膜片102隔开。当偏置第一膜片101和/或偏置第二膜片102时，该距离允许更大的制造公差，然而，当致动流体流动控制装置100或微型阀105时，该距离会导致一定的闲置行程。
可选地，可以想到，阀轴117的延伸穿过第二膜片102的部分115与第一膜片101连结。即，该部分115可以与第一膜片101牢固地连接，优选永久地和不可分离地连接。在这种情况下，不存在闲置行程，即使使用偏置的第一膜片101，可以说微型阀105可以通过压电致动第一膜片101以没有闲置行程的方式进行偏转。
图5示出了用于显示压电致动第一膜片101特性的示意图，即，作为对向压电元件108施加电压的反应，第一膜片101的竖直偏转。电压绘制在横坐标上，竖直偏转(在z方向上)绘制在纵坐标上。该示意图示出了可用于本发明的流体流动控制装置100的常闭型微型阀105的典型特征致动器曲线(相对于压电陶瓷上电压的竖直偏转)。
如图2A到4B所示，当施加正电压时，第一膜片101向下偏转，即朝向第二膜片102。当施加负电压时，第一膜片101向上偏转，即远离基板110。在这种情况下，力/偏转能力是对称的。由于压电物理学，与正电压相比，在压电元件重新极化之前可以施加相对较低的负电压。
然而，如图5所示的示意图中，可以看到上述闲置行程。在负电压下，第一膜片101向上偏转并远离微型阀105，显示出不受力影响的特征曲线。在正电压下，第一膜片101接触第二膜片102(如图2A和2B所示)或阀轴部分115(如图3A和3B所示)，并且使微型阀105在与第二膜片102的回复偏置力FV相反的方向上向下开启，即朝向第二基板侧112，这导致特征曲线更加平坦。另外，可以看到在特征曲线断开之前，直到与第二膜片102或阀轴部分115的接触的闲置行程，大约为3μm至5μm。
如开头提到的，微型阀105可以在两个极限位置之间移动，即在完全开启位置和完全闭合位置之间移动。由于通过压电致动第一膜片101的主动驱动，微型阀105可以进一步在这两个极限位置之间连续移动，这就是流过微型阀105的流体的流量或通过量可以被连续控制的原因。即，本发明的流体流动控制装置100可以连续地控制流体流量。
也就是说，除了开启或闭合流体通道104之外，本发明的流体流动控制装置100的功能特征还可以是比例阀意义上的可控流动电阻。通过将微型阀105移动到开启和闭合状态之间的任意位置，可以选择压力/通过量示意图中的相应操作点，参见图6。
图6示出了用于本发明中流体流动控制装置100时，微型阀105的典型压力/通过量示意图，流体是水。在微型阀105上的不同压差下，作为施加到微型元件108上的电压的函数来绘制通过量。
图7A和7B示出了本发明第二实施方案的流体流动控制装置200，该实施例仅包括单个膜片201。图3A示出了在未致动状态下的流体流动控制装置200，图3B示出了在致动状态下的流体流动控制装置200。
由于与上述第一实施方案具有相同或相似功能的元件(如图1至图4B所示)用相同的附图标记表示，因此省略对其的描述。不过，关于第一实施方案描述的所有元件、特征和功能也适用于随后讨论的第二实施方案。因此，随后仅描述在图7A和7B所示的第二实施方案与图1至图4B所示的第一实施方案之间的区别。
图7A和7B所示的实施例的不同之处在于，本发明的微结构流体流动控制装置200仅包括被机械偏置并连结到微型阀105并且还包括压电元件108的一个膜片201。即，膜片201可以同时用作致动器膜片和阀门膜片。膜片201可以包括金属或半导体，例如硅，或可以由其制成。
所示出的微结构流体流动控制装置200包括基板110以及流体通道104，该基板110具有布置在第一基板侧111上的压电致动器201，该流体通道104在第一基板侧111和相对的第二基板侧112之间延伸穿过基板110。
微结构流体流动控制装置200进一步包括微型阀105，微型阀105具有阀盘116和布置在其上的阀轴117，其中阀盘116布置在朝向远离膜片201的第二基板侧112上，阀轴117延伸穿过流体通道104朝向布置在第一基板侧111上的膜片201。即，阀轴117至少部分地布置在第一基板侧111上，且阀盘116布置在与相对的第二基板侧112上。在未致动状态下，阀轴116可以闭合位于第二基板侧112上的开启的流体通道。
根据本发明，压电致动膜片201与微型阀105，特别是阀轴117，连结或固定连接。优选地，膜片201永久地且不可分离地与微型阀105或阀轴117连接。
另外，压电致动膜片201被机械地偏置，即，朝向远离基板110的方向，从而使膜片201在未致动状态下远离基板110弯曲，如图7A所示，并且任选地延伸至基板平面L1之外。由于机械偏置，这里再次将偏置力FV施加到微型阀105上，其中偏置力FV是使阀盘116在未致动状态下闭合流体通道104的回复力FR的一部分。
图7B示出了在致动状态下图7A中的微结构流体流动控制装置200。当施加电压时，这里以+300伏幅值的电压为例，压电元件108使膜片201向下偏转，即朝向基板110或流体通道104偏转。压电元件108的致动力FP的作用方向与回复力FR相反，回复力FR由膜片的偏置力FV和微型阀105处可能存在的流体力FF组成。
如果压电元件108的致动力FP在幅值上超过回复力FR，膜片201使微型阀105向下偏转，即朝向远离流体通道104的方向，从而使微型阀105从流体通道104上抬开，并开启或释放流体通道104。
也就是，在未致动状态下，压电致动膜片201可以被构造为朝向流体通道104偏转，并在远离流体通道104且与回复力FR相反的方向上移动微型阀105，从而使微型阀105释放流体通道104。
在图7A和7B所示的第二实施方案中，膜片201可以布置在第一水平基板平面L1上，第一水平基板平面L1与基板110的第一主表面121重合。即，膜片201可以布置在第一基板侧111上的基板110的第一主表面121上。
凹槽106可以在基板110的第一主表面121中被构造，朝向第二基板侧112延伸并限定第二水平基板平面L2。在这种情况下，第一基板平面L1上的膜片201和第二基板平面L2上的基板110的结构化部分之间的凹槽106也可以称为流体室，如果微型阀105被构造为进口阀门，则流体将流入该流体室中，或者如果微型阀105被构造为出口阀门，则流体从该流体室流出，参见图4A和4B。
代表本文所述的所有实施方案，图7B示例性地示出了，例如，朝向第一基板侧111延伸且微型阀105或阀盘116可以布置在其中的凹槽107也可以设置在第二基板侧112或基板110的第二主表面122上。例如，该凹槽107可以构造在基板110的第二主表面122中。凹槽107的深度可大致对应于微型阀105的竖直冲程，从而即使完全偏转，微型阀105或阀盘116仍位于凹槽107内。这为微型阀105提供了机械止挡保护。
也代表所有描述的实施方案，图7B示例性地示出了密封阀座109可以设置在朝向阀盘116的流体通道104的开口处。例如，密封阀座109可以是具有较低的释放力的非粘性阀座，其可以包含一种或多种弹性体。
在所有实施方案中，微型阀105可以在开启位置和闭合位置之间线性移动。微型阀105可能会被带到至少两个极端的位置，即完全闭合位置(其中流体通道104尽可能地流体密封)和完全开启位置(其中流体通道104尽可能地开启)。在这种情况下，本发明的微结构流体流动控制装置100和微结构流体流动控制装置200可以至少在这两个位置之间主动控制流体流量。可选地或附加地，微型阀105可以在至少一个另外的位置逐渐移动，也可以在两个极限位置之间连续移动(开启/闭合)。在这种情况下，本发明的微结构流体流动控制装置100和微结构流体流动控制装置200可以从比例阀的意义上逐渐或连续地控制流体流量。
另外，在所有实施方案中，可以想到压电致动膜片101和201包括一个或多个通风孔。由于在压电致动膜片101和201中的附加通风孔，相对于压电致动膜片101和201上方的大气，可以从在压电致动第一膜片101和第二膜片102之间(第一实施方案)或在压电致动膜片201和基板110之间(第二实施方案)的充满空气的腔室(凹槽106)中获得压力补偿，可以使驱动器的零位稳定，以适应波动的环境条件。
另外，在所有实施方案中可以想到，微结构流体流动控制装置100、200仅包括非磁性材料。由于非磁性材料(例如钛)和致动器原理，这提供了MRT能力。
另外，在所有实施方案中可以想到，微致动膜片101和201包括20μm到50μm的竖直冲程。另外，可以想到压电致动膜片101和201包括在25μm和150μm之间的膜片厚度，和/或第二膜片102包括在25μm和150μm之间的膜片厚度。
例如，本发明的流体流动控制装置100和流体流动控制装置200可用于以下技术领域：
医疗技术：
·植入物
ο括约肌，阴茎假体
·体外医疗器械：
ο药物计量，静脉内，皮下
工业：
·油计量
·微型液压装置/微型气动装置
·切断阀(故障安全)
将以另外方式对本发明再次进行如下总结：
本发明的一个方面是一种小型且特别平坦设计的压电驱动、常闭型和自堵塞型的微型阀105。也就是说，在无电流状态下，微型阀105闭合并且存在的流体压力FF可附加地提高闭合力。
该原理基于压电膜转换器101的竖直作用方向上，通过传动元件117在非相反的相对密封座109上的偏转，这为在力平衡中朝向其零位使用未电致动(即未致动)压电膜转换器101的回复力FR创造了可能。在新发明中，通过弹簧膜片102和相应的偏置方法获得的该被动回复力FR用于在无电流状态下闭合微型阀105。
密封元件(例如阀盘)116与传动元件(例如阀轴)117固定连接，且根据复位弹簧，通过偏置的阀门膜片102在闭合方向上将密封元件(例如阀盘)116拉向密封座109。阀门膜片102以流体密封的方式与密封元件116及阀门基体105连结。另一个膜片，即致动器膜片101，在阀门膜片102上方的平面L2上与基体110连结。压电盘致动器108可以施加于该致动器膜片101，例如通过粘结方式，使用根据专利US 9 410 641B2的电偏置组件，从而在压电致动器108处于无电流状态时，在致动器膜片101和传动元件117之间保留有限的剩余缝隙。
因此，在无电流状态下，例如参见图3A，阀门115的密封座109通过密封元件116闭合，对应常闭状态。另外，流体压力FF从阀门115的进口侧作用在密封元件116上，作为另一个闭合分力。
在通电状态下，即当向压电陶瓷108施加正电压时，例如参见图3B，如果压电膜转换器101竖直作用在传动元件117上的力FP大于阀门膜片102的回复力FR和密封元件116上的流体压力FF，则致动器膜片101朝向传动元件117变形，并将其远离密封座109移动到开启方向。这可以通过关于对应操作区域的规格设计适配的致动器来实现。
阀门115的又一个实施方案可以使得传动元件117仍直接焊接到致动器膜片101上，因此能够省略缝隙。
例如参见图7A和7B，阀门115的又一个实施方案可以使得在无电流的情况下，省略阀门膜片102，并且传动元件117由于偏置，通过与致动器膜片101的焊接/粘接连接而永久地保持在闭合位置。
如图7A和7B所示，传动元件117直接与致动器膜片101连结，并且在无电流状态下由于偏置而保持闭合。另一方面，通过在压电致动器108上施加正电场，使其开启。
阀门结构设计：
·在坚固的基体110上制作箔
·将压电致动器108作为薄膜弯曲传感器
·不同型号的偏转单元/阀门密封元件116、117
·具有以下目的的中间膜片102(也称为阀门膜片)：
ο将传动/密封元件116、117偏置在阀座109上
ο由于用于流体压力的较小有效面积而产生压力补偿
ο冲程优化→致动器101可以独立于复位膜片102设计。
·材料：金属，特别是弹簧钢和钛，塑料
·制造方法：
ο基体110：机械加工(车削，铣削)，增材制造
ο箔：结构化蚀刻
·连结方式：粘结，焊接(激光，电阻焊，超声波，电子束)
·密封座：硬-硬密封或可能的软密封
技术特性：
·闭合状态下无能耗→常闭型
·平坦设计：典型结构高度小于5mm
·覆盖区(footprint)：圆形基体直径约小于25mm，例如，20mm或15mm
·例如阀门膜片和致动器膜片101、102和201的典型厚度为25μm至150μm
·典型的压电致动器厚度，例如，100μm到200μm
·两侧常闭(前和后，参见特征流量曲线)
·自堵塞：流体压力在两个方向上以堵塞的方式作用在密封元件116上和/或通过阀门膜片102在传动元件117上平移
·闭合状态下泄漏率低
·开启状态下流动阻力低
·由于压电致动器而导致切换时间短：在t<5ms内从闭合到开启：
·由于非磁性材料(钛)和致动器原理而产生MRT能力
·压电膜致动器系统的示例性致动器设计：
ο在正电压下沿开启方向的竖直冲程(即，向下)：20μm至50μm
ο致动器力/堵塞压力30kPa至100kPa
·应力补偿：由于致动器膜片101中的通风孔，在环境压力波动的情况下，膜片可保持稳定在原始零位
在较小的安装尺寸下闭合状态下无能耗并且非磁性材料允许在有源植入物中使用。到目前为止，尚无已知的技术解决方案。
(+++)闭合状态下无能耗
(+++)两侧常闭
(+++)自堵塞功能
(+++)由于非磁性材料(钛)和致动器原理而产生MRT能力
(++)平坦结构尺寸(结构高度<5mm)
(++)切换时间短(几毫秒)
(+)闭合状态下泄漏率低
(+)开启状态下流动阻力低(高流速)
上述实施例仅是对本发明原理的说明。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，预期的是，本发明应当仅由所附权利要求的保护范围限制，而不受基于实施例的描述和讨论而给出的具体细节的限制。

Claims (14)

1.一种微结构流体流动控制装置(100)，包括：
基板(110)，其第一基板侧(111)上布置有压电致动第一膜片(101)，所述基板(110)具有流体通道(104)，所述流体通道(104)在所述第一基板侧(111)和与其相对的第二基板侧(112)之间延伸穿过所述基板(110)；
微型阀(105)，延伸穿过所述流体通道(104)，被构造为在未致动状态下闭合所述流体通道(104)；和
第二膜片(102)，布置在所述第一基板侧(111)上且与所述压电致动第一膜片(101)隔开，并且布置在所述流体通道(104)和所述压电致动第一膜片(101)之间；
其中，所述第二膜片(102)与所述微型阀(105)连结，并且朝向所述第一膜片(101)机械地偏置，从而向所述微型阀(105)施加偏置力(FV)；
其中，偏置力(FV)是使所述微型阀(105)在未致动状态下闭合所述流体通道(104)的回复力(FR)的一部分。
2.根据权利要求1所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中所述微型阀(105)相对于流体流动方向布置，使得在所述流体流动方向上流动的流体(400)向所述微型阀(105)施加流体压力(FF)，其中，除了所述偏置力(FV)之外，所述流体压力(FF)也作用在所述微型阀(105)上；
其中，所述偏置力(FV)和所述流体压力(FF)是使所述微型阀(105)在未致动状态下闭合所述流体通道(104)的所述回复力(FR)的一部分。
3.根据权利要求1所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中所述微型阀(105)相对于流体流动方向布置，使得在所述流体流动方向上流动的流体(400)向所述第二膜片(102)施加流体压力(FM)，其中，除了所述偏置力(FV)之外，所述流体压力(FM)也作用在与所述第二膜片(102)连结的所述微型阀(105)上；
其中，所述偏置力(FV)和所述流体压力(FM)是使所述微型阀(105)在未致动状态下闭合所述流体通道(104)的所述回复力(FR)的一部分。
4.根据权利要求1所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中在致动状态下，所述压电致动第一膜片(101)被构造为朝向所述第二膜片(102)偏转且在与所述回复力(FR)相反的方向上移动所述微型阀(105)，从而使所述微型阀(105)释放所述流体通道(104)。
5.根据权利要求4所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中在致动状态下，所述压电致动第一膜片(101)被构造为直接与所述第二膜片(102)接触，且使所述第二膜片(102)偏转，以在与所述回复力(FR)相反的方向上移动与其连结的所述微型阀(105)。
6.根据权利要求1所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中所述微型阀(105)包括阀盘(116)和布置在其上的阀轴(117)，其中所述阀盘(116)布置在所述第二基板侧(112)上，且其中所述阀轴(117)延伸穿过所述流体通道(104)朝向所述第一基板侧(111)。
7.根据权利要求6所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中所述阀轴(117)的部分(115)延伸穿过所述第二膜片(102)，从而使所述部分(115)布置在所述第一膜片(101)和所述第二膜片(102)之间，其中在致动状态下，所述压电致动第一膜片(101)被构造为与所述部分(115)接触，由此在与所述回复力(FR)相反的方向上移动所述阀轴(117)。
8.根据权利要求7所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中在未致动状态下，所述压电致动第一膜片(101)与所述阀轴(117)的延伸穿过所述第二膜片(102)的所述部分(115)隔开。
9.根据权利要求7所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中所述阀轴(117)的延伸穿过所述第二膜片(102)的所述部分(115)与所述第一膜片(101)连结。
10.根据权利要求1所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中所述压电致动第一膜片(101)在远离所述第二膜片(102)的方向上机械地偏置，从而在未致动状态下，使所述压电致动第一膜片(101)与所述第二膜片(102)隔开。
11.根据权利要求1所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中所述压电致动第一膜片(101)包括一个或多个通风孔。
12.根据权利要求1所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中所述微结构流体流动控制装置(100)仅包括非磁性材料。
13.根据权利要求1所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中所述压电致动第一膜片(101)包括20μm到50μm的冲程。
14.根据权利要求1所述的微结构流体流动控制装置(100)，其中所述压电致动第一膜片(101)包括在25μm和150μm之间的膜片厚度，和/或所述第二膜片(102)包括在25μm和150μm之间的膜片厚度。
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