CN1675487A

CN1675487A - 微型机电系统的控制阀

Info

Publication number: CN1675487A
Application number: CN03818805.8A
Authority: CN
Inventors: K·阿斯基尔德特; A·尼斯韦恩; O-M·米德特加德
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: NO20022699D0; US7124773B2; WO2003104693A1; AU2003232397A1; US20050257835A1; CN100467921C; AU2003232397A8; EP1514044A1

Abstract

一种阀，如用于MEMS结构中的IP调节器的控制阀，包括由流体通道连接的流体进口(3)和流体出口(4)，对玻璃和/或硅进行微量切削加工生产出的壁部和结构(5)构成上述通道和出入口。激励器(1，8，9)可以被设置在至少两个不同的位置上，用来使流体通道(2)的流动横截面发生改变。流体进口，出口和通道的几何形状有利于防止流体突然地改变其流动方向使得流体内液滴和/或微粒中的大部分撞击在结构的壁上，上述结构可以是符合或在下列两个极限之间的任何设置方式i)流体出口与流体入口垂直，该出口的尺寸大于一个极限尺寸，L_crit由一个根据CFD－工具(计算机模拟的流体动力学)模拟给定的公式算出，ii)流体出口与流体通道平行，为完全单向流动方式。

Description

微型机电系统的控制阀

技术领域

本发明涉及一种阀装置，尤其是应用于例如MEMS-结构(微型机电系统)中的微型控制阀。

申请领域

控制阀主要应用于气动系统，如气动制造系统中，用来控制大型气动执行机构中的压力。该执行机构应用于工艺处理设备中，例如应用于移动大型机械设备或对大型阀进行控制的生产过程中。

该控制阀经常被用作为IP调节器，其具有一个电(I为电流)输入和一个气动(P为压力)输出，这样，当一个供给装置，如具有较高恒定压力的压缩机提供气体输入的时候，一个模拟的电信号就会在输出端产生相应比例的气动压力。

现有技术

目前大量使用的工业用IP调节器为ABB生产的TEIP 11型信号转换器[1]，用来将标准的电输入信号转换为标准的气动压力输出，如将4-20mA的电流转换为0.2-1bar的气压输出信号。

尽管安装大型气动压缩机的工厂几乎都配置有过滤装置用来在使用压缩空气时保护设备，并且设备本身也会安装过滤装置，众所周知，由于暴露在加压空气中的表面上的薄膜沉积会造成的狭窄空气通道的堵塞，从而常常限制这些设备的正常运转。另外，这样还会使可拆卸的部件永久地粘在其它部件上而变成废件。上述沉积在运转过程中积聚，最终会干扰设备正常的功能或者损坏部件而需要更换这些组件。这种影响限制了使用该设备的系统的运转寿命且增加了维修费用，由于这种情况下的IP调节器直接暴露在气流中，它们的正常运转决定了系统的正常运转，当觉得有上述问题发生时，在大多数情况下都只是用新设备更换掉有故障的调节器。

发明目的

本发明的目的之一是提供一种阀，使其对在供给空气中存在的杂质具有增大的容许度。

本发明的另一个目的是提供一种控制阀，使其在可能被杂质或液滴污染的加压空气气流环境下具有更长的有效运转寿命。

更进一步，本发明的另一个特殊目的是提供一种微型控制阀，使得杂质，特别是以油和微粒混合物形式存在的杂质可以顺利地通过阀体，使其不会附着在阀体表面上，并在阀体内部形成具有危害性的黏附膜。

发明概述

本发明的目的可以通过具有如权利要求1所述的特征的阀来实现。

本发明的更多优选实施例可以根据从属权利要求，相应的描述和附图获得。

附图说明

图1A显示了根据现有技术的一种IP调节器的临界流出口情况。

图1B显示了根据现有技术的第二种IP调节器的临界流出口情况。

图2显示了在阀出口附近形成膜或层所涉及的一些可能的机构。

图3A显示了图1B所示阀内的微粒传送的计算机模拟的流体动力学模型。

图3B显示了图1A所示阀内的微粒传送的计算机模拟的流体动力学模型。

图4显示了根据本发明具有可弯曲膜片的基于MEMS的IP调节器的例子中的一个工作部件。

图5显示了在根据图4所示的阀的调节器内微粒流体的计算机模拟的流体动力学模型。

图6显示了根据本发明的基于MEMS的IP调节器的另一个实施例。

图7图示出在流体入口和流体出口之间具有90度弯角。

图8显示了在90度弯角结构中，为了较好地阻止沉积的形成所用的结构规则或者设计规则。

具体实施方式

下面将参考附图1-3对典型的现有技术中的局限性作出更具体的解释。附图1A显示了包含水/油/微粒等杂质的空气流体F流过典型IP调节器的出口部位的情况。受冲击的第一节流口或喷嘴D1被固定，在这种情况下，其横向尺寸为0.25mm。即使该喷嘴相对很窄，通常也不会造成受污染的供给空气在IP-阀中的重要部件上形成沉积的问题。第二节流口D2位于出口处，如图所示，在挡板100和阀体101之间具有宽度X可变化的一个间隙。间隙宽度X由于作用在挡板臂103上的作用力102而发生变化，该作用力使得挡板臂103围绕其旋转支点104转动一个微小的角度。X值通常非常小，在10-40μm的范围内。当宽度X变化时，气流发生变化，从而使压力P_st也发生相应的变化。该压力可以输送至下述的“增压器”或空气放大器(未示出)。空气放大器随后输送具有一定压力和速率的气流用以控制大型的气动执行机构等。

附图1B显示了空气和微粒流体以直角通过可变宽度为X的间隙离开出口进入大气前，在横向尺寸为D2的圆形阀体101内流过的情况。

附图2显示了在挡板100和出口2附近的重要区域110上形成膜或层的复杂过程中可能涉及到的一些机械装置。在此类阀中常见的故障表现为在阀座106和/或挡板100上的层105的沉积，当它们彼此接触或者离得非常近时，就会使挡板100粘在阀座106上。通常，调节作用力102和所述压力都没有大到可以使挡板100离开阀座106的程度。粘性的挡板100会造成整个IP调节器的失效，从而导致整个IP调节器的更换。仅仅由于上述故障，使得该存在故障的IP调节器通常被报废。

值得注意的是，多年生产和使用这类IP调节器的经验已经显示出，喷嘴D1并不会导致上述问题的发生，而挡板部件100，103则是导致这类问题发生的重要原因。

以上所述与在我们的实验室中建立的计算机模拟的流体动力学模型相一致。如附图3所示，该模型已经显示出气流中的绝大部分微粒与挡板100的重要区域110发生撞击，而只有极少数微粒与D1-喷嘴的狭窄通道发生撞击。

附图3A显示出计算机模拟的流体动力学(CFD)模型的结果，图示出微粒流体如何随气流由左向右流动并垂直穿过位于阀体101和挡板100之间的狭缝G流向外部的情况。该图对应于附图1B的阀。

附图3B图示出微粒如何随流体穿过附图1A中的阀的情况。微粒顺畅地通过横向尺寸为D1的喷嘴。模型中的微粒大小在1.8-20μm之间，模型被建立起来使得微粒撞击壁部并停止在撞击点不再随气流流动。可以看到几乎没有微粒可以穿过挡板间隙G，而几乎所有的微粒都穿过了喷嘴D1而没有撞到其壁上。在喷嘴D1中，一些微粒在进入喷嘴通道D1前撞到竖壁21上，然而，这并不是一个非常重要的区域。流体中所有的空气都被假设由带有至少一对(双)空气过滤器的压缩机供给，模拟的IP调节器也在它的入口处安装有良好的过滤器。

尽管阀上都安装了过滤器以阻止微粒进入阀体，但是这种过滤器允许小尺寸的特定微粒通过。将阀体的流体流动通道设计成使得进入阀中的特定微粒沿弧线流动而不会撞到阀壁上的形状是本发明的一个主要特征。这主要由流速，微粒的尺寸，流体与微粒的密度差以及该装置的几何形状所决定。

附图4为根据本发明的MEMS-阀，特别是用于IP调节器的控制阀的第一实施例的示意图。该阀包括由流体通道2连接的流体进口3和流体出口4，以上结构由通过对玻璃和/或硅进行微量切削加工而制造出的结构件5和壁形成。该阀还包括可以设置在至少两个不同位置的激励器1、8、9以用来使流体通道2的流动横截面发生改变。流体进口、出口和通道的几何形状有利于防止流体突然地改变其流动方向使得流体内液滴和/或微粒中的大部分撞击在阀壁上，而这种情况在流体出口和流体通道平行于流体入口而形成的充分单向流动方式中是非常普遍的。

流体通道2连接流体入口3和流体出口4。本发明的这个实施例为比较理想的解决方案，其使气流具有大半径的曲率。通过使用静电式激励器、热激励器或者压电式激励器弯曲非刚性膜片1，改变流体通道的内横截面Y而使流体通道2形成节流部。如图4所示，在对着流体通道1的底板5C的表面上设有激励器的电极9，激励器的另一个电极8位于膜片1的底部。激励器产生的作用力由与激励器1、8、9相电耦合的控制装置(未示出)给出。

本发明的第一实施例可以通过一个所谓的三层MEMS工艺实现。中间板5B，优选地由硅制成，其被密封在均优选地由玻璃制成的顶板5A和底板5C中间。所述板可以通过使用电镀结合的手段进行密封。在三层板中，可以蚀刻出用来运送供给空气和输出空气的沟槽或通道以及辅助的通道。在面对流体通道2的底板5C的表面上设置有第一导电电极9，优选采用金属电极，可以通过在其顶部涂保护层来防止其受到流体的破坏。在对着通道2的膜片1的表面上设置有第二薄导电电极8，其由一金属层或非刚性膜片1的高度搀杂部位构成，电极8也优选地由一薄保护层进行保护并且该保护层优选地为氧化硅层。该硅制膜片1是中间板5B上整体形成的一部分，优选地通过在单独一片硅材料上蚀刻形成。典型的情况为，该膜片的宽度和长度均为200μm的整数倍，而通道的横截面Y也为20μm的整数倍，使得Y＜＜L。该金属和可能的半导体电极8，9连接到充电装置(未示出)上。如果电极8，9的充电极性相反，在电极8，9之间就会产生引力，将膜片1拉向底板5C。通过这样的手段，就会使流体通道2的横截面或者横截面尺寸Y减小，从而减少通过设备的流量。

在附图4所示构件的前面，即图示中的左侧具有如图1中所示的直径为D1的喷嘴，该喷嘴作为如图4所示的三层结构中的一部分可以很容易地被制造出来。在D1喷嘴和可变横截面的阀之间的控制压力被导向增压器装置，该装置可以放大或增压该控制压力和流体到适合大型气动执行机构的程度。通过对激励器电极8、9提供适当的电压，从而使膜片1产生适当的弯曲可以对该控制压力进行调节。

第一实施例由于具有大的气流曲率半径的特征，因而使得只有极少的微粒会撞击并附着在流体通道特别是流体通道内的内壁上。附图5的计算机模拟的流体动力学(CFD)模型证明了上述结论，该图显示出特定微粒在图4，5所示的弯曲膜片下的流动轨迹，它图示出在底板5C的法线方向上，膜片1和底板5C之间的流体通道内的微粒运动轨迹。矩形膜片1在其中部具有最大挠度，相应地形成了流体通道2的最窄的部分。相应地，流体的分布如图5所示，并且只有极少的微粒在流体通道2的中部。从图5可以看出，没有微粒撞到流体通道2的壁上。因此，图4所示的结构对于解决结构壁上的微粒杂质来说是比较理想的。

在流体通道中将形成一个电场是上述静电激励器的一个潜在的缺点，如果这个电场只指向一个方向的话，即所有的电极都具有相同的极性，带电或极化的微粒将被吸引到流体通道2的侧壁上，形成不希望的沉积。高流速和其它一些因素也会造成流体中的微粒带电。

电极之间的静电力吸引是不受场方向限制的。因此，在电极8，9之间形成与场方向相反的周期性的交变电流/电压可以驱动电极8，9。优选地，交变频率要远大于膜片的基本共振频率，对于本申请来说，该范围为10-50kHz。我们要使用合适的交流发电机或者交流驱动电路(未示出)来产生用来驱动电极8，9的交流驱动信号。该发电机对于本领域技术人员来说是非常熟悉的。

可以想到，这样的高频场可以在流体通道2内产生自清洁的作用，表面的沉积会被高频激励器驱动信号剥落下来，并随着流体被冲出该设备，而不会影响该设备的主要功能。

当采用蚀刻的手段对硅制中间板5B进行微加工时，在膜片的后面形成腔室14，该腔室需要一个合适的基准压力以用来调节膜片的挠度。在某些情况下，需要相当大的驱动力来获得所需挠度，除非图4中腔室14的压力由根据腔室14和流体通道2中的压力差进行控制的方法来调节。典型的情况为：电极电压被限制在200V左右，高于该值时，会在电极8，9之间的介质中发生绝缘击穿的现象。

在本发明的第二实施例中，提供了一种MEMS-阀，如图6所示，为IP调节器中的控制阀。该阀包括流体进口3，流体通道2，流体出口4。流体通道2连接流体进口3和流体出口4。在本例中，流体出口4被设置为与流体进口3基本垂直，而不是如第一实施例中描述的那样。

在本发明的第二实施例中，流体通道2具有一个可弯膜片1形式的激励器，优选地在硅上微加工制出。膜片1和与其相连接的阀凸台15可以由静电激励器、热激励器或者压电式激励器来驱动发生位移，从而改变流体通道的内部横截面或内部横截尺寸。通过弯曲膜片使流体通道的横截面尺寸减小，从而提供了在流体进口3和流体出口4之间的压力降。驱动力至少部分地由与激励器电路连接的控制装置来控制。

MEMS-阀的结构和几何设计针对供应流体中的杂质采用了高容许度，阀的横向尺寸随着流体中微粒或液滴的密度，尺寸以及速率而增大，使得几乎所有的杂质或液滴都随着转角周围的流体流动，而不会撞击到阀体的内壁上。流体出口4的横向尺寸的增加相对于现有技术是相当大的改进。让流体出口4的横向尺寸或横截面尺寸大于由流体、流体入口3和微粒或液滴决定的限制阀的尺寸，根据模型可以发现，撞击到内壁上的杂质或液滴的数量显著减少。参考附图7，限制阀的尺寸由下述公式给出：

\underset{10}{L_{crit} = \frac{V_{1} \cdot ρ_{f} \cdot m}{3 \cdot π \cdot μ_{f} \cdot Δρ \cdot d}}

代表值为

V₁＝200m/s

ρ_f＝1.2kg/m³

Δρ＝2.5×10^-3kg/m³

μ_f＝18×10^-6Ns/m²

d＝20×10^-6m

V₁表示进口流体通道的出口端平均流速，ρ_f表示流体的密度，m表示微粒或液滴的质量，μ_f表示流体的粘度，Δρ表示微粒或液滴与流体的密度差，d表示微粒或液滴的直径。

微粒的质量由下式给出

m = \frac{4}{3} \cdot π \cdot {(\frac{d}{2})}^{2} \cdot (ρ_{f} + Δρ) .

附图7为重要区域的示意图，图中标出了几何尺寸设计的主要参数。L₁表示流体通道2的横向尺寸，L₂表示流体出口4的横向尺寸。在确定的假设条件、已知几何尺寸和流体通道2的出口端的平均流速的情况下，流体出口4处的流速由下式给出

V_{2} (L_{2}) = \frac{L_{1} \cdot L_{2} \cdot 4}{{L_{2}}^{2}} \cdot V_{1}

下列等式可以被推导出用来表达微粒或液滴的路径与流体出口4的横向尺寸之间的关系

f (L_{2}) = \frac{V_{1} \cdot ρ_{f} \cdot m}{3 \cdot π \cdot μ_{f} \cdot Δρ \cdot L_{2}} [1 - e^{\frac{3 \cdot π \cdot μ_{f} \cdot Δρ \cdot (L_{1} + L_{3}) \cdot L_{2}}{2 \cdot ρ_{f} \cdot m \cdot V_{1} \cdot L_{1}}}]

其中，L₃表示流体出口4的长度。L₁和L₂的代表值为

L₁＝20×10^-6m

L₂＝500×10^-6m

当f(L₂)＞1时，微粒将撞击到流体出口4的内壁上。当f(L₂)＜1时，微粒将离开流体出口4而不撞到内壁上。因此，可以得到一个极限值

L₂＞χ_pmax，

只要

x_{p \max} = \frac{V_{1} \cdot ρ_{f} \cdot m}{3 \cdot π \cdot μ_{f} \cdot Δρ \cdot d}

微粒就不会撞到流体出口的内壁上。

这一等式还可以被看作为了获得对通道内壁上的油/微粒的沉积的高抗性，而遵守的结构准则和设计准则。

附图8显示了f(L₂)与L₂的函数关系。从图8的图表可以看出，为了使f(L₂)小于1，在这种情况中，L₂应该设计为大于300μm。在实际中，L₂是首先要估算的值，必须建立更精确的带有微粒传送模型的流体动力学模型，以便找出更精确的L₂的数值。

图4和图6的结构可以看作是入口与出口成任意角度并且由可控制横截面积的通道进行连接的普通情况中的两种极限情况。对于普通情况来说，设计原则更接近于图6中所建立起来的结构形式。

图6中的结构也优选地在上述的三层MEMS-工艺中实现。气流以压力P₁从图6中的右侧进入装置，在进入到流体通道入口3之前通过喷嘴D1，喷嘴D1左侧的腔室内的压力P₀被引入到增压器中。本例中的膜片在其中心处具有“阀凸起”15。阀凸起15和底板5C间的容积是流体通道2中可以调节的的活动部分。激励器的第一电极8优选地位于膜片1的上部，即膜片上背对流体通道2的一侧。该电极不直接暴露在气流中。激励器的第二电极9优选地位于上部玻璃板5A的下侧。以这种方式，两个电极可以在膜片1与上玻璃板5A之间形成的腔室14内建立起一个电场。

本结构具有下述一些优点，第一个就是，当压降只作用在阀凸起15上时，激励器可以在整个膜片上进行工作。这减小了对为了获得给定压力降的作用力的需要。

另一个显著的优点就是，激励器的电场不再延伸到流体通道2中，因此，该电场也就不再导致流体通道2内沉积或膜的形成。另一方面，它也就不再具有上面提到过的自清洁作用。

为了减少膜片达到指定挠度所需要的最大电压，如图6所示，该装置安装有气动反馈装置12、13、14。该反馈装置包括连接流体通道2和位于膜片1一侧的腔室14的连接器13，该反馈装置12、13、14确保了高压侧MEMS-通道2、3、4中的一部分被反馈到腔室14中，以便于降低腔室14与通道2、3、4之间的压差，并相应地减少了激励器的所需电压。具有节流口k_x1和k_x2的通道以虚线示出。可以通过选择k_x1和k_x2来确定节流口部分的压降。通过对反馈压力P_x的取值使得膜片的弹力、激励器的静电力之间的平衡关系得到优化。该反馈装置也可以被用于图4所示的实施例中。

为了进一步减少微粒的沉积，可以在MEMS制作过程中通过合适的蚀刻工艺来对流体通道2内的所有尖角，尤其是那些在阀凸起15下面位于流体通道2的入口处的尖角进行倒圆角，从而避免了在转角后的壁上发生大的流动突变和相应的沉积问题。

而为了减少微粒的沉积所作的另一个改进是在设备中的所有通道的内壁上涂一薄(纳米技术的)层，从而获得抗水和抗油表面。这使得含有微粒，液滴的水和油，甚至是凝结的蒸汽都被设备的内壁所排斥。

该阀也可以包括热或压电式激励器设备，将其与上述的静电激励器分开或组合使用，以使该设备获得改进的功能，例如，可以提供改进的方法以控制装有激励器的膜片的弯曲。

参考

[1]ABB product datasheet for TEIP 11，“I/P Signal Converter For StandardSignals”，10/99，from ABB Automation Products GmbH，Minden，Fed.Rep.ofGermany

(http：/www.abb.de/automation)

[2]“Electrically-activated，normally closed diaphragm valves”，by HalJerman，in J，Micromech.Microeng.Vol.4，(1994)pp 210-216，IOP publishing，UK，1994

Claims

1.一种阀，如IP调节器中的控制阀，具有如MEMS-结构，包括由流体通道(2)连接的流体入口(3)和流体出口(4)，对玻璃和/或硅进行微量切削加工生产出的壁部和结构(5)构成上述通道和出入口，该阀还包括可被设置在至少两个不同位置处的激励器(1，8，9)以改变流体通道(2)的流动截面，其特征在于：该流体入口，出口及通道的几何结构使得其可以防止流体突然地改变它们的方向，使流体中液滴和/或微粒等杂质的绝大部分撞击到结构的内壁上，该结构可以是满足下列两个极限情况或在它们之间的任何设置形式：

i)流体出口与流体入口垂直，流体出口的尺寸大于一个极限值，该极限值L_crit由下式

L_{crit} = \frac{V_{1} \cdot ρ_{f} \cdot m}{3 \cdot π \cdot μ_{f} \cdot Δρ \cdot d}

估算出，其中，V₁表示进口流体通道(3)的出口端平均流速，ρ_f表示流体的密度，m表示微粒或液滴的质量，μ_f表示流体的粘度，Δρ表示微粒或液滴与流体的密度差，d表示微粒或液滴的直径，并且m表示微粒的质量或者是由CFD-工具(计算机模拟的流体动力学模型)估算出的，

ii)流体出口与流体通道和流体入口平行设置，呈完全单向流动方式。

2.如权利要求1所述的阀，其特征在于：包括一个安装在流体通道(2)内的非刚性膜片(1)。

3.如权利要求2所述的阀，其特征在于：包括一个静电激励器(1，8，9)，其第一电极(8)位于膜的面对流体通道的一侧上，第二电极(9)位于流体通道(2)内与膜(1)相对的位置上，通过改变激励器(1，8，9)上的电压可以改变流体通道横截面。

4.如权利要求1-3中任意一个所述的阀，其特征在于：包括一个静电激励器(1，8，9)，其第一电极(8)位于膜的背对流体通道的一侧上，第二电极(9)位于面对第一电极的一个(通常地)平坦表面上，电极(8，9)之间形成腔室(14)，其内部作用有激励器(1，8，9)产生的电场，从而避免了在流体通道(2)内产生电场，使流体中的微粒流动朝向通道的内壁。

5.如权利要求3或4所述的阀，其特征在于：用于激励器(1，8，9)的交流电压需要在膜片(1)上产生合适频率的振动，该振动使得附着在膜片(1)上的微粒或薄层松动，从而被气流冲出设备。

6.如前面任意一个权利要求所述的阀，其特征在于：包括用于减少膜片(1)两侧压差的气动反馈装置(12，13)。

7.如权利要求6所述的阀，其特征在于：气动反馈装置(12，13)包括位于流体通道(2)和膜片(1)一侧的腔室(14)之间的流体连接器(13)。

8.如前面任意一个权利要求所述的阀，其特征在于：在MEMS制作过程中通过合适的蚀刻工艺来对流体通道2内的所有尖角，尤其是那些在阀凸起15下面位于流体通道2的入口处的尖角进行倒圆角，从而避免了在转角后的壁上发生大的流动突变和相应的沉积问题。

9.如前面任意一个权利要求所述的阀，其特征在于：包括涂在设备中所有通道的内壁上一个薄(纳米技术的)层，从而获得抗水和抗油表面来排斥含有微粒，液滴的水和油，甚至是凝结的蒸汽。