DE102008035990A1

DE102008035990A1 - Ein Mikroventil und ein Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102008035990A1
Application number: DE102008035990A
Authority: DE
Inventors: Jürgen KRUCKOW; Martin Wackerle; Klaus Heinrich; Martin Dr. Richter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2028-08-02
Also published as: DE102008035990B4

Abstract

Ein Mikroventil weist einen Ventilsitz mit einer Ventilöffnung und eine Ventilklappe zum Verschließen der Ventilöffnung des Mikroventils, mit einem Abdeckabschnitt der Ventilklappe auf. In einem geschlossenen Zustand des Mikroventils befindet sich der Abdeckabschnitt der Ventilklappe in einer Ventilsitzebene. Die Ventilklappe ist in einer Schicht einstückig gebildet, wobei die Schicht derart eingespannt ist, dass zumindest ein Teil der Schicht in dem geschlossenen Zustand aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist und die Ventilklappe auf den Ventilsitz gedrückt wird.

Description

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Ventil, insbesondere auf ein Mikroventil und ein Verfahren zur Herstellung dieses Mikroventils.
Solch ein Mikroventil kann beispielsweise in Wasserstoffbrennstoffzellen eingesetzt werden. Bei Wasserstoffbrennstoffzellen sollen passive Rückschlagventile mit einem definierten Öffnungsdruck von beispielsweise 50 Hektopascal im ausgeschalteten Zustand verhindern, dass Wasserstoff von einem Reservoir der Brennstoffzelle zugeführt wird. Im eingeschalteten Zustand wird im Reservoir ein Druck aufgebaut, der über dem Öffnungsdruck des Ventils liegt und somit der Wasserstoff zur Brennstoffzelle gelangen kann. Bei der Entwicklung solcher miniaturisierter Systeme werden entsprechend vorgespannte Mikroventile benötigt.
Das Einsatzgebiet solcher (Mikro-)Ventile umfasst im Allgemeinen Fluidsysteme, also Systeme, in denen gasförmige oder flüssige Stoffe transportiert werden. Beispielsweise umfasst das Anwendungsgebiet Methanolbrennstoffzellen (Direkt Methanol Brennstoffzelle ≕ DMFC), Wasserstoffbrennstoffzellen, Anwendungen in der Medizintechnik, Sicherheitsventile, sowie Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik und dem Automotivbereich.
Im miniaturisierten Bereich werden solche Ventile häufig als Siliziumstrukturen aufgebaut. In herkömmlichen Mikroventilen aus Silizium wird zum Aufbau eines Ventils mit einem definierten Öffnungsschwelldruck häufig eine Vorspannung auf eine Ventilklappe, die auf eine Dichtlippe eines Ventilsitzes drückt, durch das Aufbringen von Schichten mit definierten intrinsischen Spannungen erzeugt. Solch eine Schichtkombination kann beispielsweise Siliziumnitrid (SiN) auf Silizium (Si) sein. Aufgrund der unterschiedlichen atomaren Gitterstrukturen der beiden Schichten kann eine solche Schichtstruktur eine intrinsische Spannung aufweisen, die zur Erzeugung einer Vorspannung in oder auf einer Ventilklappe genutzt werden kann. Nachteilig kann bei dieser Vorgehensweise jedoch die isotrope Spannungsverteilungen in solchen Schichtstrukturen sein. Dies kann zu einer Verwölbung der Ventilklappe über den Dichtlippenbereich des Ventils führen, was wiederum undichte Stellen bzw. Lecks in dem Ventil nach sich ziehen kann. Weiterhin sind durch das Aufbringen von Schichten mit definierten intrinsischen Spannungen zusätzliche Prozessschritte erforderlich, was sowohl die Komplexität, als auch die Kosten entsprechender Mikroventile erhöht. Des Weiteren ist eine gezielte Vorspannung für einen definierten Öffnungsschwelldruck des Mikroventils von dem verwendeten Schichtmaterial abhängig. Die exakte Vorspannung einer Ventilklappe des Mikroventils ist auf diese Weise nur schwer und auch nur in einem gewissen Druckbereich einstellbar.
Bei Ventilen im Makrobereich wird eine Vorspannung einer Ventilklappe üblicherweise über zusätzliche Federn realisiert. Nachteilig sind hierbei die Baugröße solcher Makroventile, sowie Verschleißerscheinungen und eine schlechte Reproduzierbarkeit des Öffnungsschwelldrucks für das Mikroventil. Bei solchen Ventilen, die beispielsweise aus Metall aufgebaut sind, kann es zu plastischen Verformungen im Laufe der Lebensdauer kommen, was undichte Stellen bzw. Lecks zur Folge haben kann.
Es besteht also ein Bedarf an Ventilen, insbesondere an Mikroventilen, die einfach und kostengünstig herzustellen sind und bei denen eine gut reproduzierbare Vorspannung einer Ventilklappe erzielt werden kann, so dass das Ventil einen definierten und reproduzierbaren Öffnungsschwelldruck aufweisen kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroventil mit einem Ventilsitz und einer Ventilklappe zum Verschließen einer Ventilöffnung im Ventilsitz zu schaffen, wobei die Ventilklappe definiert vorgespannt ist und im geschlossenen Zustand des Ventils auf den Ventilsitz drückt.
Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikroventils zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Mikroventil gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 18.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Mikroventil mit einem Ventilsitz, der eine Ventilöffnung aufweist, und eine Ventilklappe zum Verschließen der Ventilöffnung in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils, mit einem Abdeckabschnitt der Ventilklappe. In einem geschlossenen Zustand des Mikroventils befindet sich der Abdeckabschnitt der Ventilklappe in einer Ventilsitzebene. Die Ventilklappe ist in einer Schicht einstückig gebildet, und die Schicht ist derart eingespannt, dass zumindest ein Teil der Schicht, in dem geschlossenen Zustand des Mikroventils, aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist und dadurch die Ventilklappe auf den Ventilsitz gedrückt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Mikroventil mit einem Ventilsitz, welches eine Ventilöffnung aufweist, und eine Ventilklappe zum Verschließen der Ventilöffnung in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils mit einem Abdeckabschnitt der Ventilklappe. Ferner weist das Mikroventil eine Vorspanneinrichtung auf, die an einem Abstützpunkt fixiert ist, und wobei die Vorspanneinrichtung ausgebildet ist, einen verstellbaren Druck auf den Abdeckabschnitt der Ventilklappe auszuüben.
Des weiteren schafft die Erfindung eine Vorrichtung mit einem Gehäuse, das modular aus zumindest einem ersten Teil und einem zweiten Teil zusammengesetzt ist. Die Vorrichtung weist ferner einen Ventilssitz mit einer Ventilöffnung und einer Ventilklappe, die im ersten Teil gebildet ist, auf. Die Ventilklappe ist gebildet um in einem geschlossenen Zustand der Vorrichtung die Ventilöffnung zu verschließen. Ferner weist die Vorrichtung ein Federelement auf, das an einem Abstützpunkt in dem zweiten Teil fixiert ist und das ausgebildet ist, um einen Druck auf die Ventilklappe in Richtung des Ventilsitzes auszuüben.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils, wobei das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens eines ersten Bauteils mit einem Ventilsitz mit Ventilöffnung aufweist. Ferner weist das Verfahren ein Bilden einer Schicht auf, so dass in der Schicht eine Ventilklappe zum Verschließen der Ventilöffnung mit einem Abdeckabschnitt der Ventilklappe in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils ausgebildet ist. Der Abdeckabschnitt der Ventilklappe befindet sich in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils in einer Ventilsitzebene. Das Verfahren weist außerdem einen Schritt des Fertigstellens des Mikroventils durch Zusammenfügen der Schicht und des ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil auf, so dass die Schicht zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil derart eingespannt ist, dass in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils zumindest ein Teil der Schicht aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist und die Ventilklappe auf den Ventilsitz gedrückt wird.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung bieten die Möglichkeit, dass die Vorspannung der Ventilklappe beim Zusammenfügen durch einen in einem Ventilgehäuseteil integrierten Druckstift oder Vorsprung durch mechanischen Druck auf den auslenkbaren Teil der zweiten Schicht erzeugt werden kann.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung bieten außerdem den Vorteil, dass die Vorspannung auf die Ventilklappe des Mikroventils veränderbar bzw. einstellbar ist. Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann eine Federstruktur zusammen mit einer Ventilklappe einstückig in einer Schicht im selben Fertigungsprozess hergestellt werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bieten ferner den Vorteil, dass die Mikroventile geringe Fertigungstoleranzen aufweisen, sowie massenfertigungstauglich sind, d. h. kostengünstig hergestellt werden können, sowie keine Aufbau-Verbindungstechnik (AVT) zur Befestigung bzw. Verbindung von einer Ventilklappe und von Vorspannfedern notwendig ist. Eine Vorspannung ist über den Austausch oder einer Veränderung der Vorspannfeder und/oder eines Abstützpunktes der Vorspannfeder möglich.
In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann Silizium vorteilhafterweise als elastisches Material zur Ausbildung des Mikroventils verwendet werden.
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Mikroventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 die Aufsicht auf eine Mikroventilklappe mit mäanderförmiger Federstruktur, einstückig ausgebildet in derselben Schicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine schematische Explosionszeichnung eines Mikroventils gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt den schematischen Querschnitt eines Mikroventils in einem Gehäuse mit einer Ventilklappe und einem Ventilsitz mit Dichtlippe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt die Aufsicht auf eine Ventilklappe eines Mikroventils gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt den schematischen Querschnitt eines Mikroventils gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt die Aufsicht auf eine Ventilklappe eines Mikroventils mit spiralförmigen Federn gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit einem Justageelement zur Veränderung einer Vorspannung einer Ventilklappe der Vorrichtung;
9 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung mit einem Abstützpunkt und einer Vorspanneinrichtung in einem Fluidkanal gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
10 zeigt ein Flussdiagramm zum Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Figuren und in der gesamten Beschreibung für funktional identische bzw. gleichwirkende oder funktionsgleiche, äquivalente Elemente oder Schritte zur Vereinfachung durchgehend die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Mikroventil gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Mikroventil 10 in einem Ventilgehäuse 34 weist einen Ventilsitz 11 mit einer Ventilöffnung 12 auf. Ferner weist das Mikroventil 10 eine Ventilklappe 13 zum Verschließen der Ventilöffnung 12 des Mikroventils, mit einem Abdeckabschnitt 14 der Ventilklappe 13 auf. In einem geschlossenen Zustand des Mikroventils befindet sich der Abdeckabschnitt 14 der Ventilklappe 13 in einer Ventilsitzebene 15. Die Ventilklappe 13 ist in einer Schicht einstückig gebildet, wobei die Schicht derart eingespannt ist, dass zumindest ein Teil der Schicht 16 in dem geschlossenen Zustand des Mikroventils aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist und die Ventilklappe 13 auf den Ventilsitz 11 gedrückt wird.
Bei dem in 1 dargestellten Ventil kann es sich beispielsweise um ein Mikroventil handeln. Das Mikroventil kann beispielsweise eine Größe bzw. Fläche von einigen Quadratzentimetern, einigen Quadratmillimetern oder einigen Quadratmikrometern aufweisen. Beispielsweise kann das Mikroventil eine Fläche von ca. 2,5 mm × 3 mm aufweisen. Das Ventil oder im Folgenden auch häufig Mikroventil genannt kann als freistehendes Bauelement ausgebildet sein oder beispielsweise in einem Fluidkanal integriert sein. Das Mikroventil kann als Rückschlagventil ausgebildet sein, so dass eine Gasströmung oder ein Flüssigkeitsfluss in eine Schließrichtung 55 des Ventils 10 unterbunden ist und ein Fluidfluss bzw. ein Gasstrom in eine Öffnungsrichtung 56 des Mikroventils erst bei Überschreiten eines Öffnungsschwelldruckes, der größer ist als eine Vorspannung mit der die Ventilklappe 13 auf den Ventilsitz 11 gedrückt wird, möglich ist. Bei Erreichen bzw. Überschreiten des Öffnungsschwelldruckes kann dann ein Fluid das Ventil passieren und beispielsweise, wie es in 1 angedeutet ist, von einem unteren Teil des Mikroventils in einen oberen Teil des Mikroventils strömen.
Die Ventilklappe kann in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung einen Aufhängepunkt bzw. eine Verkippungsachse oder Biegeachse 18a aufweisen, um die sich die Ventilklappe bei Überschreiten eines Öffnungsschwelldruckes dreht oder biegt, so dass ein Fluid durch die dann zumindest teilweise geöffnete Ventilöffnung 12 des Ventilsitzes 11 strömen kann. Die Biegeachse kann also eine Materialverbiegungsachse sein, dazu kann das Material aus dem die Ventilklappe gebildet ist ein elastisches Material mit einem hohen Elastizitätsmodul sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Teil 16 der Schicht, in der auch die Ventilklappe 13 einstückig ausgebildet ist, in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt sein. In dem Ausführungsbeispiel in 1 ist beispielsweise der Teil 16 der Schicht, in der auch die Ventilklappe 13 ausgebildet ist, unterhalb der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt und fixiert. Die Fixierung des Teils 16 der Schicht, der in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist, kann beispielsweise durch Kleben, Bonden, mechanisches Klemmen oder anderen Kräften erfolgen. Das heißt, der Teil 16 kann beispielsweise auf ein Ventilsitzunterteil 11a geklebt, gelötet, gebondet oder mittels einer mechanischen, elektrischen, magnetischen oder adhäsiven Krafteinwirkung fixiert sein. Der Teil 16 der Schicht 13a, der aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist, kann in diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Ventilsitzebene fixiert sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Teil 16 der Schicht 13a, der aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist, auch geneigt relativ zur Ventilklappe 13 fixiert sein.
2 zeigt die Draufsicht einer Ventilklappe 13 in einer Schicht 13a, die einstückig mit einer Federstruktur 22 und einem Teil 16 der Schicht 13a der auslenkbar ist, ausgebildet ist. Der Teil 16 der Schicht 13a kann beispielsweise durch einen mechanischen Druck auf eine Anpressposition, ausgelenkt werden, so dass eine Vorspannung der Ventilklappe 13 mit dem Abdeckabschnitt 14 erzielt wird. Die Federstruktur kann, wie in der 2 dargestellt ist, beispielsweise mäanderförmig in derselben Schicht wie die Ventilklappe 13, zusammen mit dem Teil 16 der Schicht, der aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt werden kann, gebildet sein. Durch ein Verkippen oder Auslenken des Teils 16 der Schicht 13a und einem Fixieren des verkippten Teils 16 an zumindest einer Anpressposition kann über die Federstruktur 22 eine Spannung auf die Ventilklappe übertragen werden, so dass ein Mikroventil mit einem definierten Öffnungsschwelldruck geschaffen werden kann. Je nach Aufbau der Feder bzw. je nach Federkonstante der ausgebildeten Feder und der Auslenkposition des zumindest einen Teils 16 der Schicht 13a kann eine einstellbare Vorspannung der Ventilklappe erzeugt werden. Die Feder bzw. die Federstruktur kann verschiedenartig aufgebaut sein, beispielsweise also spiralförmig, tellerfederartig, kegelfederartig etc.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann also ein Mikroventil mit einem Ventilsitz 11, mit einer Ventilöffnung 12 und einer Ventilklappe 13 zum Verschließen der Ventilöffnung des Mikroventils so ausgebildet sein, dass ein Teil 16 der Schicht, der in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist, und über eine Federstruktur 22, die mit der Ventilklappe 13 verbunden ist, die Ventilklappe 13, durch eine Vorspannung der Federstruktur 22, auf die Ventilöffnung 12 des Ventilsitzes 11 drückt. Dadurch kann ein definierter Öffnungsschwelldruck erzeugt werden. Die Federstruktur 22, die Ventilklappe 13 und der Teil 16 der Schicht 13a, der in dem geschlossenen Zustand des Mikroventils 10 aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist, können in der Schicht 13a einstückig ausgebildet sein. Sie können also in derselben Schicht und aus dem gleichen Material hergestellt sein. Beispielsweise können also die Ventilklappe 13 die Federstruktur 22 und der Teil 16 der Schicht 13a, der in dem geschlossenen Zustand des Mikroventils 10 aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist aus Silizium gebildet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Schicht 13a eine Kunststoffschicht ist und dementsprechend die Ventilklappe 13, die Federstruktur mit dem Teil 16 der Schicht, der aus der Ventilsitzebene ausgelenkt wird aus Kunststoff bestehen. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Ventilklappe, sowie die Federstruktur bzw. die Federelemente und entsprechend der Teil 16 der Schicht, der in dem geschlossenen Zustand aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist, Metall aufweisen. Zumindest das Material aus dem die Ventilklappe aufgebaut ist kann eine hohe Elastizität aufweisen, beispielsweise kann ein Material aus dem die Ventilklappe überwiegend aufgebaut ist, ein Elastizitätsmodul E > 10 × 10¹⁰ N/m² aufweisen. Die Ventilklappe kann beispielsweise Silizium mit einem Elastizitätsmodul E > 13 × 10¹⁰ N/m² aufweisen.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mikroventils 10 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Explosionszeichnung dargestellt. Das Mikroventil 10 weist ein Ventilgehäuse 34 auf, wobei das Ventilgehäuse 34 beispielsweise aus einem Gehäuseoberteil 34a mit einem integriertem Druckstift 32 oder Vorsprung und mit einer Ventilgehäuseöffnung 34c, sowie einem Gehäuseunterteil 34b und einer entsprechenden Gehäuseunterteilöffnung 34d ausgebildet ist. Das Mikroventil 10 weist weiterhin eine Ventilklappe 13 zum Verschließen einer Ventilöffnung 12 auf. Die Ventilklappe 13 kann in einer Schicht 13a einstückig, beispielsweise mit einer Federstruktur 22 (wie in 2 dargestellt ist) ausgebildet sein, sowie einem Teil 16 der Schicht 13a, der bei einem späteren Zusammenfügen mittels des Druckstiftes 32 aus einer Ventilsitzebene 15 ausgelenkt werden kann. Das Mikroventil kann weiterhin einen Ventilsitz 11 mit einer Dichtlippe 11b aufweisen, so dass ein Abdeckabschnitt 14 der Ventilklappe im geschlossenen Zustand die Dichtlippe 11b und damit die Ventilöffnung 12 abschließt. Der Ventilsitz kann in diesem Ausführungsbeispiel als Ventilunterteil mit Dichtlippe ausgebildet sein und einen Anschlag für den Vorspannweg des auszulenkenden Teils 16 der Schicht 13a aufweisen.
4 zeigt den Querschnitt des in 3 als Explosionszeichnung dargestellten Mikroventils im zusammengefügten Zustand. Die Bezugszeichen sind entsprechend bereits im Zusammenhang mit 3 erläutert worden. Das Mikroventil 10 kann in diesem Ausführungsbeispiel einen definierten Öffnungsschwelldruck aufweisen, der durch die Auslenkung des Teils 16 aus der Schicht 13a und die damit über eine Federstruktur 22 (siehe 2) auf die Ventilklappe 13 übertragene Vorspannung gegeben ist. Das Teil 16 der Schicht 13a, der aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist kann z. B. mit Hilfe eines Druckstiftes oder Dorns 32 am Anschlag für den Vorspannweg fixiert sein. Der Druckstift 32 kann den Teil 16 der Schicht 13a, der aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist mechanisch Klemmen, so dass dieser fixiert ist. Bei Überschreiten des Öffnungsschwelldruckes, der durch die Vorspannung gegeben ist, kann sich die Ventilklappe öffnen und ein Fluidstrom in die Öffnungsrichtung 56 stattfinden. Wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, kann ein Teil 16 der Schicht 13a in der auch die Ventilklappe 13 ausgebildet ist durch einen Druckstift 32 der in diesem Ausführungsbeispiel in ein Gehäuseoberteil 34a integriert ist, bis zu einem definierten Anschlag für den Vorspannweg gedrückt werden und dort durch den Druckstift mechanisch fixiert werden. Es ist jedoch auch denkbar dass dieser Druckstift 32 oder Vorsprung an einem anderen Teil des Mikroventils angebracht ist oder durch einen externen Druckstift ersetzt ist, der nicht in dem Gehäuse 34 integriert ist. Neben einer mechanischen Fixierung des ausgelenkten Teils 16 der Schicht 13a sind auch andere Möglichkeiten für eine Fixierung denkbar, wie z. B. Kleben, Bonden, Löten, oder eine Fixierung durch elektrische, magnetische oder adhäsive Kräfte etc.
In dem Ausführungsbeispiel in 4 ist der Teil 16 der Schicht 13a, der aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist auf der gleichen Seite relativ zur Ventilsitzebene, wie der Ventilsitz angeordnet. In diesem Beispiel ist also der Teil 16 der Schicht 13a, der aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist, genauso wie der Ventilsitz 11, unterhalb der Ventilsitzebene 15 angeordnet.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können die einzelnen Teile des Mikroventils, also beispielsweise das Gehäuseoberteil 34a, das Gehäuseunterteil 34b, der Ventilsitz 11 mit dem Ventilunterteil, als auch das Ventiloberteil mit der Ventilklappe 13 und der Vorspannfeder 22, sowie dem Teil 16, der aus der Schicht 13a ausgelenkt ist, aus Silizium ausgebildet sein. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein baugleiches Mikroventil jedoch beispielsweise auch aus Kunststoff ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Ventilsitz bzw. die Dichtlippe und der Ventilport aus Kunststoff angefertigt sein, während die restlichen Teile aus Silizium bestehen. Der Ventilsitz bzw. der Ventilport einschließlich der Dichtlippe kann aber auch aus einem strukturierten Glas bestehen. Der Ventilport 11 einschließlich der Dichtlippe können in anderen Ausführungsbeispielen jedoch auch aus Metall aufgebaut sein. Dasselbe gilt für die Ventilklappen und eventuellen Federelementen, die ebenfalls aus Metall bestehen können. Es ist außerdem möglich an der Unterseite der Ventilklappe oder auf den Dichtlippen 11b bzw. dem Ventilöffnungsrand ein weiches Dichtmaterial aufzubringen, um so eine höhere Dichtigkeit des Ventils zu erreichen und zudem eventuelle Verschleißerscheinungen an den Dichtklappen und den Dichtlippen zu vermindern.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Mikroventil so ausgebildet sein, dass der Teil 16 der Schicht, der aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist, mit der Ventilklappe 13 über einen Verbindungsabschnitt der Schicht 13a verbunden ist, wobei der Verbindungsabschnitt lateral auf einer, dem Teil 16 der Schicht 13a, der aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist, gegenüberliegenden Seite relativ zum Ventilssitz 11 angeordnet ist.
In 5 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Draufsicht einer Schicht 13a in die eine Ventilklappe 13 mit einer Federstruktur 22 und zumindest einen Teil 16 der Schicht 13a, der in dem geschlossenen Zustand des Mikroventils 10 aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist, gezeigt. Durch die Auslenkung wird die Ventilklappe 13 auf den Ventilsitz gedrückt. Dieses Ausführungsbeispiel ist vergleichbar zu dem Ausführungsbeispiel welches im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurde. Dementsprechend beschreiben die Bezugszeichen dieselben Teile des Mikroventils. Insbesondere ist in diesem Ausführungsbeispiel der Teil 16 der Schicht 13a, der in dem geschlossenen Zustand des Ventils aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist nicht durch einen Bügel, wie es in 2 dargestellt ist, gegeben, sondern durch Teile der Federstruktur 22 selbst. Wie in 5 zu sehen ist, kann die Federstruktur selbst Anpress-Position aufweisen, beispielsweise für einen Druckstift zum Auslenken des Teils 16 der Schicht 13a und damit zum Vorspannen der Ventilklappe 13. Der Teil 16 der Schicht 13a, der in dem geschlossenen Zustand des Mikroventils aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist, kann also in diesem Ausführungsbeispiel Teil beispielsweise der Federstruktur 22 sein, die für eine Vorspannung der Ventilklappe sorgt, so dass die Ventilklappe 13 auf einen Ventilsitz 11 gedrückt wird.
Als weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt 6 eine schematische Querschnittsansicht eines Ventils bzw. eines Mikroventils 10 mit einem Gehäuse 34 welches aus einem Gehäuseoberteil 34a und einem Gehäuseunterteil 34b besteht, wobei das Gehäuseunterteil 34b in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise auch als Ventilsitz 11 ausgebildet sein kann, mit einer Ventilöffnung 12. Das Gehäuseoberteil 34a kann eine Gehäuseoberteilöffnung 34c aufweisen und das Gehäuseunterteil 34b bzw. der Ventilsitz 11 kann eine Gehäuseunterteilöffnung 34d aufweisen. An die Öffnungen kann dann jeweils ein Fluidkanal angeschlossen sein, in dem das zu transportierende Fluid strömt. In diesem Ausführungsbeispiel kann eine Ventilklappe 13 in einer Schicht 13a einstückig gebildet sein, wobei die Schicht 13a derart eingespannt ist, das in diesem Ausführungsbeispiel der Teil 16 der Schicht 13a, der im geschlossenen Zustand ausgelenkt ist, durch die Schicht 13a selbst gebildet ist. In einem geschlossenen Zustand des Ventils ist dieser Schichtteil 16 aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt und bedingt durch die Auslenkung wird die Ventilklappe 13 auf den Ventilsitz 11 gedrückt. In diesem Ausführungsbeispiel für ein Mikroventil ist die Ventilklappe 13 an zwei Abstütz- oder Fixierpunkten 18a und 18b fixiert oder abgestützt, so dass durch die Vorspannung die Ventilklappe auf die Ventilöffnung mit einem definierten Druck gedrückt wird. In anderen Ausführungsbeispielen (siehe 1 bis 5) ist die Ventilklappe nur an einem Fixier- oder Abstützpunkt fixiert oder abgestützt. Die Ventilklappe kann also in einigen Ausführungsbeispielen einfach oder zweifach aufgehängt sein. In dem Ausführungsbeispiel in 6 kann eine Vorspannung der Ventilklappe erzielt werden ohne beispielsweise eine Federstruktur auszubilden. Die Ventilklappe 13 kann um zwei Verkippungsachsen bzw. Verbiegungsachsen 18a und 18b, die lateral versetzt in der Schicht 13a ausgebildet sind oder diese berühren, verkipp- oder verbiegbar sein. Das Material aus dem die Schicht 13a bzw. die Ventilklappe 13 besteht kann dazu eine entsprechend hohe Elastizität aufweisen, beispielsweise also ein Material sein mit einem Elastizitätsmodul E > 10 × 10¹⁰ N/m².
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Mikroventil, welches ein Ventilsitz mit einer Ventilöffnung und eine Ventilklappe zum Verschließen der Ventilöffnung in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils aufweist eine Ventilklappe besitzen. Die Ventilklappe kann an einem oder zwei Aufhängepunkten aufgehängt sein. Die Ventilklappe kann aber auch, um eine oder zwei Verkippungs- bzw. Verbiegungsachsen, die lateral versetzt in der Schicht ausgebildet sind oder diese berühren, verkipp- oder verbiegbar sein.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Teil 16 der Schicht, der aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist, auf einer dem Ventilsitz 11 gegenüberliegenden Seite relativ zur Ventilsitzebene angeordnet sein. Ein Vorsprung des Mikroventils 10 kann so ausgebildet sein, dass der Vorsprung 32 die Schicht 13a an einer Position 18b zwischen dem Teil 16 der Schicht 13a, der aus der Ventilsitzebene 15 ausgelenkt ist und dem Ventilsitz 11 in Richtung der Ventilsitzebene 15 auslenkt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Mikroventil mit einem Ventilgehäuse, welches aus einem Gehäuseoberteil mit einem Druckstift und einem Gehäuseunterteil ausgebildet ist. Des Weiteren weist das Mikroventil einen Ventilsitz mit einer Ventilöffnung und eine Ventilklappe zum Verschließen der Ventilöffnung in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils auf. Die Ventilklappe ist dabei einstückig in einer Schicht mit einem ersten Anschluss einer Federstruktur verbunden. Ein Teil der Schicht, welcher in dem geschlossenen Zustand aus einer Ventilsitzebene ausgelenkt ist, ist über einen zweiten Anschluss der Federstruktur ausgelenkt und mit einem Druckstift fixiert, so dass über die Vorspannung der Federstruktur, die Ventilklappe auf den Ventilsitz gedrückt wird. Die Federstruktur kann beispielsweise eine mäanderförmige Struktur aufweisen.
7 zeigt die Draufsicht auf eine Ventilklappe 13, welche in einer Schicht 13a ausgebildet ist. In der Schicht 13a ist ferner ein Anlenkpunkt der Ventilklappe 13c, eine Aufhängung für die Ventilklappe 13b, sowie Druckpunkte 16, die aus der Ventilsitzebene ausgelenkt werden können angeordnet. Beispielsweise mit Hilfe eines Druckstiftes (nicht gezeigt in 7), wie es weiter oben im Text beschrieben ist, kann dann ein mechanischer Druck auf die Druckpunkte 16, die mit den Spiralfedern 22a, b verbunden sind, ausgeübt werden so dass eine Vorspannung über die Spiralfedern 22a und 22b auf die Ventilklappe übertragen werden kann und das Mikroventil einen definierten Öffnungsschwelldruck aufweist. Die Spiralfedern können dazu jeweils, wie in 7 gezeigt, an einem Federende mit der Schicht 13a verbunden sein und mit dem anderen Federende beispielsweise seitlich mit der versteiften Ventilklappe 13. Durch die Verwendung der Spiralfeder und den relativ langen Spiralfederweg bis zum Federende an der Ventilklappe kann es möglich sein auf kleinstem lateralen Raum geringste Vorspannungen zu erzielen. Die Aufhängung 13b der Ventilklappe kann eine Auslenkung oder Verbiegung der Ventilklappe 13 aus der Schicht 13a ermöglichen. Die Ventilklappe 13 kann mit dem Anlenkpunkt der Ventilklappe 13c über die Aufhängung der Ventilklappe verbunden sein, wobei der Anlenkpunkt fixiert sein kann – beispielsweise durch ein Gehäuseoberteil (nicht gezeigt in 7).
In weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich andere Federstrukturen, die z. B. tellerartig, kegelartig oder auch andersgestaltig ausgeführt sind zu verwenden, um eine definierte Vorspannung auf eine Ventilklappe zu übertragen. Denkbar ist auch der Einsatz von Viergelenken mit Ventilklappe, wobei das Viergelenk durch Druck auf Druckpunkte des Viergelenks ausgelenkt werden kann und die Ventilklappe so mit einer definierten Vorspannung auf den Ventilsitz gedrückt werden kann.
Ein Mikroventil oder eine Vorrichtung 99, wie sie in 8 dargestellt ist, kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Ventilsitz 11 mit einer Ventilöffnung 12 aufweisen. Ferner kann die Vorrichtung 99 eine Ventilklappe 13 zum Verschließen der Ventilöffnung 12 in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils, mit einem Abdeckabschnitt 14 der Ventilklappe, aufweisen. Das Mikroventil 10 kann außerdem ein Gehäuse 34 mit einem Gehäuseoberteil 34a und einem Gehäuseunterteil 34b aufweisen. Das Mikroventil 99 weist in dem Ausführungsbeispiel in 8 ferner eine Vorspanneinrichtung 50 auf, die an einem Abstützpunkt 52 fixiert ist und die ausgebildet ist einen veränderbaren Druck der Ventilklappe 13 auszuüben.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann der Abstützpunkt 52 zusammen mit der Vorspanneinrichtung 50 in einem Ventilgehäuseteil 34a integriert sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass in anderen Ausführungsbeispielen der Abstützpunkt 52 mit der Vorspanneinrichtung 50 in einem Fluidkanal 58, in welchem die Vorrichtung 10 integriert ist bzw. welches mit dem Mikroventil 99 gekoppelt ist (siehe 9), angeordnet ist.
Das Mikroventil 99 kann ferner ein Justageelement 54 aufweisen, welches ausgebildet ist, um einen veränderbaren Druck auf den Abdeckabschnitt 14 der Ventilklappe 13 bzw. auf die Ventilklappe 13 mittels der Vorspanneinrichtung 50 auszuüben. Das heißt, durch ein Justageelement 54 kann eine Vorspannung der Vorspanneinrichtung verändert werden, so dass ein Öffnungsschwelldruck der Ventilklappe 13 für ein Fluid, welches das Mikroventil durchströmen will, verändert werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können der Abstützpunkt 52 und die Vorspanneinrichtung in einer separaten Aufnahme in einem Fluidkanal, welcher mit dem Mikroventil verbunden ist ausgebildet sein. Bei der Vorspanneinrichtung 50 kann es sich beispielsweise um eine Feder, z. B. um eine Blattfeder oder auch um ein anderes elastisches Teil, z. B. aus Kunststoff handeln. Ein Anpressdruck der Feder auf eine Oberseite der Ventilklappe, zum Schließen der Ventilöffnung mittels der Ventilklappe kann durch ein Justageelement 54 definiert eingestellt werden. Die Vorspannung der Ventilklappe 13 kann in diesem Ausführungsbeispiel neben der Zuhilfenahme des Justageelements u. a. durch einen Austausch oder eine Veränderung der Vorspannfeder 50 oder bzw. und über eine Veränderung der Lage des Abstützpunktes 52 verändert werden. Bei dem Justageelement kann es sich beispielsweise um eine Schraube, einen Dorn oder einen Schieber handeln. Das Justageelement 54 kann durch eine Veränderung einer mechanischen Kraft auf die Vorspanneinrichtung 50 eine Änderung des Druckes auf die Ventilklappe und damit eine Änderung des Öffnungsschwelldruckes des Ventils bewirken.
Das Mikroventil 99 kann gemäß Ausführungsbeispielen also eine Vorspanneinrichtung 50 aufweisen, welches als mechanische Feder ausgebildet ist, die in einer Schließrichtung 55 des Mikroventils 99 mit einer über ein Justageelement 54 veränderbaren Vorspannung auf die Ventilklappe 13 drückt.
In 9 ist in einer schematischen Querschnittsansicht ein Mikroventil 99 mit einem Justageelement 54 und einer Vorspanneinrichtung 50, die beispielsweise als Blattfeder ausgebildet sein kann, in einer separaten Aufnahme, beispielsweise in einem Fluidkanal 58, welcher mit dem Mikroventil oder Vorrichtung 99 verbunden ist, dargestellt. Beim Verbinden des Mikroventils mit dem Fluidkanal 58 kann die Vorspanneinrichtung 50 – hier die Blattfeder – mit einer entsprechenden Vorspannung, die über das Justageelement 54 eingestellt werden kann, auf die Ventilklappe 13 drücken, um so einen definierten, aber über das Justageelement 54 veränderbaren Öffnungsschwelldruck für das Mikroventil zu erzielen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Vorrichtung 99 ein Gehäuse aufweisen, das modular aus zumindest einem ersten Teil 13a, einem zweiten Teil 34a und einem Fluidkanal 58 zusammengesetzt ist. Die Vorrichtung kann einen Ventilsitz und eine Ventilöffnung aufweisen. In dem ersten Teil 13a des Gehäuses kann eine Ventilklappe 13 zum Verschließen der Ventilöffnung 12 mit einem Abdeckabschnitt 14 der Ventilklappe in einem geschlossenen Zustand der Vorrichtung ausgebildet sind. Die Vorrichtung kann ferner ein Federelement 50 aufweisen, das an einem Abstützpunkt 52 in dem zweiten Teil 34a oder 58 der Vorrichtung fixiert ist und das ausgebildet ist, um einen Druck auf die Ventilklappe 13 in Richtung des Ventilsitzes 11 auszuüben.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele kann ein Ventilgehäuseteil beispielsweise einen Vorsprung, eine Vertiefung, eine Erhöhung, eine Ausnehmung oder eine Kavität aufweisen, die als Fixierungsort des zumindest einen Teils 16 der Schicht, der aus der Ventilsitzeben ausgelenkt ist, dient.
10 zeigt in einem Flussdiagramm ein Ausführungsbeispiel zu dem Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils. Das Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils weist ein Bereitstellen 100 eines ersten Bauteils mit einem Ventilsitz mit einer Ventilöffnung auf. Ferner weist das Verfahren einen Schritt des Bildens einer Schicht 110 auf, so dass in der Schicht, eine Ventilklappe zum, in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils, Verschließen der Ventilöffnung mit einem Abdeckabschnitt der Ventilklappe ausgebildet ist. In einem geschlossenen Zustand des Mikroventils befindet sich der Abdeckabschnitt der Ventilklappe in einer Ventilsitzebene. Das Verfahren weist ferner einen Schritt des Fertigstellens 120 des Mikroventils durch Zusammenfügen 120a der Schicht und des ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil auf. Das Zusammenfügen kann so durchgeführt werden, dass die Schicht zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil derart eingespannt ist, dass in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils zumindest ein Teil der Schicht aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist, so dass die Ventilklappe auf den Ventilsitz gedrückt wird.
Das Zusammenfügen 120a kann so durchgeführt werden, dass beim Zusammenfügen ein Vorsprung oder Druckstift der in dem ersten oder zweiten Bauteil integriert ist, den zumindest einen Teil der Schicht aus der Ventilsitzebene auslenkt und fixiert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Fertigstellen 120 einen weiteren Schritt des Auslenkens 120b und des Fixierens von zumindest einem Teil der Schicht aufweisen. Das Auslenken 120b und das Fixieren 120c kann dabei so ausgeführt werden, dass der zumindest eine Teil der Schicht aus der Ventilsitzebene ausgelenkt und fixiert ist. Beispielsweise kann also das Ventil so fertiggestellt werden, dass vor dem Zusammenfügen 120a der Teil 16 der Schicht mit externen Hilfsmitteln während einem Schritt des Auslenkens 120b ausgelenkt wird und, beispielsweise in einem Schritt des Fixierens 120c durch Kleben fixiert wird. Anschließend kann durch Zusammenfügen 120a das Mikroventil fertiggestellt werden.
Das Zusammenfügen 120a kann aber in einem anderen Ausführungsbeispiel auch so durchgeführt werden, dass die Schicht, das erste Bauteil oder das zweite Bauteil in zumindest einem Waferbondschritt zusammengefügt werden. Dazu kann das Verfahren beispielsweise mit Siliziumwafer durchgeführt werden.
Durch die Verwendung von z. B. Siliziumwafern kann in einem Ätzschritt während des Bildens einer Schicht 110, beim Bereitstellen 100 eines ersten Bauteils, oder beim Fertigstellen 120 eine Vorspannung, mit der die Ventilklappe auf den Ventilsitz drückt, eingestellt werden. Beispielsweise kann über die Ätzrate, die Zusammensetzung einer Ätzlösung oder die Dauer einer Ätzung eine Ausnehmung, eine Vertie fung für einen Druckstift oder ein Vorsprung so verändert werden, dass im fertiggestellten Zustand eine gewünschte Vorspannung eingestellt werden kann.
Das Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils weist in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Schritt des Ausbildens eines Ventilgehäuseteils mit einer Ventilgehäuseöffnung in einer ersten Schicht auf. Des Weiteren weist das Verfahren ein Ausbilden einer Ventilklappe mit einem Abdeckabschnitt zum Verschließen der Ventilöffnung in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils auf, wobei das Ausbilden einer Ventilklappe einstückig in einer zweiten Schicht so erfolgt, dass zumindest ein Teil der zweiten Schicht auslenkbar ist. Das Verfahren weist ferner ein Ausbilden eines Ventilsitzes mit einer Ventilöffnung in einer dritten Schicht auf. Es sollte erwähnt werden, dass die Reihenfolge der Schritte des Ausbildens der einzelnen Ventilbauteile beliebig vertauschbar sind. Das Verfahren weist ferner einen Schritt des Zusammenfügens der ersten Schicht, der zweiten Schicht und der dritten Schicht auf, so dass in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils der zumindest eine Teil der zweiten Schicht ausgelenkt und fixiert ist, wodurch eine Vorspannung eingestellt ist, welche die Ventilklappe auf den Ventilsitz drückt.
In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt des Ausbildens eines weiteren Ventilgehäuseteils mit einer weiteren Ventilgehäuseöffnung in einer vierten Schicht aufweisen, so dass beim Zusammenfügen der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Schicht weiterhin durch die erste und vierte Schicht ein Ventilgehäuse gegeben ist.
Das Ausbilden eines Ventilgehäuseteils kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass zusätzlich ein Druckstift in der ersten Schicht ausgebildet wird und das Zusammenfügen dann so durchgeführt wird, dass der Druckstift den zumindest einen Teil der zweiten Schicht mechanisch auslenkt und fixiert, so dass eine Vorspannung eingestellt ist, welche die Ventilklappe auf den Ventilsitz drückt.
Das Zusammenfügen kann gemäß Ausführungsbeispielen einen Schritt des Auslenkens des zumindest einen Teils der zweiten Schicht, der im geschlossen Zustand des Mikroventils ausgelenkt ist, aufweisen und ein Fixieren des zumindest einen Teils der zweiten Schicht. Das Auslenken kann beispielsweise mittels mechanischen Drucks eines Druckstiftes erfolgen und das Fixieren kann beispielsweise über einen Klebeprozess, mittels eines mechanischen Klemmens oder mittels eines Bond- oder Lötprozesses erfolgen. Das Auslenken kann aber auch so durchgeführt werden, dass eine elektrische, eine magnetische oder eine adhäsive Kraft angelegt wird und danach ein Fixieren mit Hilfe dieser Kräfte oder mittels eines sich anschließenden Bond-, Löt- oder Klebeprozess erfolgen.
Für den Klebeprozess können beispielsweise Oxidkleber, ultraviolett härtende Kleber, Cyanakrylate oder ähnliches verwendet werden. Wie oben bereits erwähnt kann beim mechanischen Klemmen ein separater Druckstift, der nicht in dem Mikroventil integriert ist, benutzt werden oder aber auch, wie weiter oben ebenfalls beschrieben ist, ein Druckstift oder ein Vorsprung der in dem Ventilgehäuse oder einem anderen Teil des Mikroventils integriert ist.
Eine andere Möglichkeit der Fixierung besteht beispielsweise durch Bonden. Beispielsweise können die erste, die zweite, die dritte und eventuell auch die vierte Schicht über Waferbondverfahren zusammengefügt werden. Mögliche Verfahren sind dabei direktes Siliziumbonden (SDB) das anodische Bonden, das eutektische Bonden oder auch eine Verbindungsbildung durch Aufschmelzen von Lotmaterial, Glasloten bzw. Glasfrit bei einem Glasfritbonden. Denkbar ist auch eine Verbindungsbildung durch Klebstoff als Zwischenschicht zwischen den unterschiedlichen Schichten bzw. Bauteilen des Mikroventils.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Zusammenfügen zumindest eine der ersten Schicht, der zweiten Schicht und der dritten Schicht einen Schritt des Waferbondens umfassen. So können beispielsweise in einem Plattenwafer die Ventilplatten und beispielsweise die entsprechenden Federstrukturen hergestellt sein und in einem weiteren Wafer, beispielsweise einem Portwafer, Gehäuseteile bzw. die Dichtungen oder Ventilsitze. Mit Hilfe des Waferbondens ist es möglich, eine große Anzahl von Mikroventilen bzw. Teilen des Mikroventils die in einer Schicht bzw. einem Wafer ausgebildet sind durch Zusammenfügen zusammenzubauen. Bei einer geeigneten flächigen Zuführung eines Fluidkanals können so auf einfache Weise eine große Anzahl von Mikroventilen parallel angeordnet werden. Wie oben bereits erwähnt kann es sich bei der ersten, der zweiten, der dritten und eventuell der vierten Schicht um Siliziumwafer oder allgemein um Halbleiterwafer handeln.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist gezeigt, dass das Ausbilden einer Ventilklappe einstückig in der zweiten Schicht so durchgeführt werden kann, dass außerdem eine Federstruktur in der zweiten Schicht ausgebildet wird, die geeignet ist durch eine Auslenkung eines Teils der zweiten Schicht die Ventilklappe vorzuspannen, so dass diese nach dem Zusammenfügen 120a mit einer definierten Vorspannung auf eine Ventilöffnung drückt. Einstückig dazu kann auch der Teil in der zweiten Schicht ausgebildet werden, der auslenkbar ist, und nach dessen Auslenkung und Fixierung bei dem Zusammenfügen eine Vorspannung auf die Ventilklappe initiiert wird.
Das Ausbilden eines Ventilgehäuseteils, das Ausbilden einer Ventilklappe oder das Ausbilden eines Ventilsitzes kann einen Schritt des Abtragens einer Schicht bzw. Ätzens aufweisen. Dabei kann in dem Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel über die Dauer und/oder die Rate eines (Halbleiter-)Ätzprozesses, welche in zumindest einem der Schritte durchgeführt wird eine Vorspannung welche die Ventilklappe auf die Ventilöffnung drückt eingestellt werden. Beispielsweise kann also durch längeres Ätzen ein Druckstift, der in einem Gehäuseteil integriert sein kann verkürzt werden, so dass eine Federstruktur die mit der Ventilklappe verbunden ist weniger stark aus einer Ventilsitzebene ausgelenkt wird und infolge dessen die Vorspannung der Ventilklappe und damit der Öffnungsschwelldruck des Ventils verringert wird. Entsprechend ist es beispielsweise auch möglich wie es in der 3 dargestellt ist, ein Ventilunterteil mit einem Anschlag 11a für den Vorspannweg des auslenkbaren Teils 16, welches in der Schicht der Ventilklappe ausgebildet ist tiefer zu ätzen und so mittels eines Druckstiftes eine Federstruktur stärker vorzuspannen und damit den Druck auf die Ventilklappe zu erhöhen. Durch Ätzen kann z. B. auch eine Federkonstante der Federstruktur verändert werden und dadurch auch die Vorspannung. Ein Anschlag für den Vorspannweg des auslenkbaren Teils 16 der zweiten Schicht kann ebenfalls durch längeres Ätzen vertieft werden und während des anschließenden Prozesses des Zusammenfügens 120a, beispielsweise ohne Verwendung des permanenten Druckstiftes, in den tiefer liegenden Anschlag fixiert und geklebt werden.
Durch das in Ausführungsbeispielen gezeigte Verfahren kann eine Federstruktur bzw. eine Feder direkt, d. h. in der gleichen Schicht und im selben Fertigungsprozess wie eine Ventilklappe hergestellt werden. Außerdem ist keine Aufbau- und Verbindungstechnik zur Befestigung bzw. Verbindung von Ventilklappe und Vorspannfeder notwendig. Als elastisches Material zur Ausbildung zumindest der Ventilklappe und einer Federstruktur kann beispielsweise Silizium verwendet werden.
Durch das gezeigte Verfahren ist es möglich Ventilklappen mit geringen Fertigungstoleranzen und reproduzierbar einzustellenden Vorspannungen zu fertigen. Zudem ermöglicht das vorgestellte Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils eine kostengünstige Massenfertigung. Es ist auch denkbar, dass das Ausbilden eines Ventilgehäuseteils mit einer Ventilgehäuseöffnung, das Ausbilden einer Ventilklappe mit einem Abdeckabschnitt und das Ausbilden eines Ventilsitzes mit einer Ventilöffnung in entsprechenden Kunststoffschichten, Metallschichten oder teilweise Glas bzw. Quarzschichten durchgeführt wird. In diesem Fall ist eine besonders kostengünstige Massenfertigung von Disposables (Einwegartikel) möglich.

Claims

Ein Mikroventil (10) mit folgenden Merkmalen: einem Ventilsitz (11) mit einer Ventilöffnung (12); und eine Ventilklappe (13) zum Verschließen der Ventilöffnung (12) mit einem Abdeckabschnitt (14) der Ventilklappe (13), wobei sich in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils (10) der Abdeckabschnitt (14) der Ventilklappe (13) in einer Ventilsitzebene (15) befindet, wobei die Ventilklappe (13) in einer Schicht (13a) einstückig gebildet ist, und die Schicht derart eingespannt ist, dass in dem geschlossenen Zustand zumindest ein Teil der Schicht (16) aus der Ventilsitzebene (15) ausgelenkt ist, so dass die Ventilklappe (13) auf den Ventilsitz (11) gedrückt wird.
Das Mikroventil gemäß Anspruch 1, wobei die Ventilklappe (13) einfach oder zweifach aufgehängt ist.
Das Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Teil (16) der Schicht (13a), der aus der Ventilsitzebene (15) ausgelenkt ist, auf einer gleichen Seite relativ zur Ventilsitzebene, wie der Ventilsitz (11) angeordnet ist.
Das Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Teil (16) der Schicht, der aus der Ventilsitzebene (15) ausgelenkt ist, mit der Ventilklappe über einen Verbindungsabschnitt der Schicht verbunden ist, wobei der Verbindungsabschnitt lateral auf einer dem Teil (16) der Schicht, der aus der Ventilsitzebene (15) ausgelenkt ist, gegenüberliegenden Seite relativ zum Ventilssitz angeordnet ist.
Das Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Teil (16) der Schicht, der aus der Ventilsitzebene (15) ausgelenkt ist, auf einer dem Ventilsitz (11) gegenüberliegenden Seite relativ zur Ventilsitzebene angeordnet ist, und ein Vorsprung des Mikroventils so ausgebildet ist, dass derselbe die Schicht an einer Position zwischen dem Teil (16) der Schicht, der aus der Ventilsitzebene (15) ausgelenkt ist und dem Ventilsitz in Richtung der Ventilsitzebene auslenkt.
Das Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Teil (16) der Schicht, der aus der Ventilsitzebene (15) ausgelenkt ist, parallel zur Ventilsitzebene fixiert ist.
Das Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Teil (16) der Schicht, der aus der Ventilsitzebene (15) ausgelenkt ist, geneigt relativ zur Ventilklappe (13) fixiert ist.
Das Mikroventil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Teil der Schicht (16), der im geschlossenen Zustand des Mikroventils aus der Ventilsitzebene (15) ausgelenkt ist, durch Kleben, Bonden, Löten, mechanisches Klemmen oder durch elektrische, magnetische oder adhäsive Kräfte fixiert ist.
Das Mikroventil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Teil der Schicht (16), der in dem geschlossenen Zustand des Mikroventils aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist, über eine Federstruktur die ebenfalls einstückig in der Schicht gebildet ist, mit der Ventilklappe verbunden ist.
Das Mikroventil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner ein Ventilgehäuse aufweist, in dem der Ventilsitz (11) und die Ventilklappe (13) angeordnet sind und wobei durch einen Vorsprung (32) in dem Gehäuse (34) der Teil der Schicht (16), der in dem geschlossenen Zustand aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist, in dem ausgelenkten Zustand fixiert ist.
Das Mikroventil gemäß Anspruch 10, bei dem das Ventilgehäuse (34) ein Gehäuseoberteil (34a) und ein Gehäuseunterteil (34b) aufweist, wobei das Ventilgehäuse einen Vorsprung, eine Vertiefung, eine Erhöhung, eine Ausnehmung oder eine Kavität aufweist, die als Fixierort des zumindest einen Teils (16) der Schicht (13a), der aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist, dient.
Das Mikroventil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Teil (16) der Schicht (13a), der im geschlossenen Zustand des Mikroventils aus der Ventilsitzebene (15) ausgelenkt ist, mit einem externen Druckstift (32) fixiert ist.
Das Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem zumindest die Ventilklappe (13) ein Material mit einem Elastizitätsmodul E > 10 × 10¹⁰ N/m² aufweist.
Das Mikroventil (10) gemäß Anspruch 9, bei dem die Federstruktur eine gerade, mäanderförmige oder spiralförmige Struktur aufweist.
Eine Vorrichtung (99) mit folgenden Merkmalen: einem Gehäuse, das modular aus zumindest einem ersten Teil (13a) und einem zweiten Teil (34a, 58) zusammengesetzt ist, einem Ventilsitz (11) mit einer Ventilöffnung (12), eine Ventilklappe (13), die im dem ersten Teil gebildet ist, zum, in einem geschlossenen Zustand der Vor richtung, Verschließen der Ventilöffnung (12) mit einem Abdeckabschnitt (14) der Ventilklappe (13), und ein Federelement (50), das an einem Abstützpunkt (52) in dem zweiten Teil fixiert ist und das ausgebildet ist, um einen Druck auf die Ventilklappe (13) in Richtung des Ventilsitzes auszuüben.
Die Vorrichtung (99) gemäß Anspruch 15, die ferner ein Ventilgehäuse (34) aufweist, und wobei der Abstützpunkt (52) mit der Vorspanneinrichtung (50) in dem Ventilgehäuse (34) integriert ist.
Die Vorrichtung (99) gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, die ferner ein Justageelement (54) zum Verändern des Drucks auf die Ventilklappe (13) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils mit folgenden Schritten: Bereitstellen (100) eines ersten Bauteils mit einem Ventilsitz mit einer Ventilöffnung; und Bilden einer Schicht (110), so dass in derselben, eine Ventilklappe zum, in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils, Verschließen der Ventilöffnung mit einem Abdeckabschnitt der Ventilklappe ausgebildet ist, wobei sich in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils der Abdeckabschnitt der Ventilklappe in einer Ventilsitzebene befindet; und Fertigstellen (120) des Mikroventils durch Zusammenfügen (120a) der Schicht und des ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil, so dass die Schicht zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil derart eingespannt ist, dass in einem geschlossenen Zustand des Mikroventils zumindest ein Teil der Schicht aus der Ventilsitzebene ausgelenkt ist, so dass die Ventilklappe auf den Ventilsitz gedrückt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Fertigstellen des Mikroventils durch Zusammenfügen (120a) so durchgeführt wird, dass beim Zusammenfügen ein Vorsprung des ersten oder des zweiten Bauteil den zumindest einen Teil der Schicht aus der Ventilsitzebene auslenkt und fixiert.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 19, bei dem das Fertigstellen (120) einen Schritt des Auslenkens (120b) und des Fixierens (120c) des zumindest einen Teils der Schicht aufweist, so dass zumindest der eine Teil der Schicht aus der Ventilsitzebene ausgelenkt und fixiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18 bis 20, bei dem das Fertigstellen (120) einen Schritt des Fixierens (120c) des zumindest einen Teils der Schicht, der aus der Ventilsitzebene ausgelenkt wird, aufweist, wobei das Fixieren als ein Kleben, ein Bonden, ein Löten, ein mechanisches Klemmen oder mit Hilfe einer elektrischen, magnetischen oder einer adhäsiven Kraft durchgeführt wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem das Zusammenfügen (120a) so durchgeführt wird, dass die Schicht, das erste Bauteil oder das zweite Bauteil in zumindest einem Waferbondschritt zusammengefügt wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem das Bilden einer Schicht (110) in einem Siliziumwafer durchgeführt wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem das Bilden einer Schicht (110) so durchgeführt wird, dass die Schicht eine Federstruktur aufweist, welche geeignet ist, nach einer Auslenkung des zumindest einen Teils der Schicht, eine Vorspannung auf die Ventilklappe zu übertragen, so dass die Ventilklappe in einem geschlossen Zustand des Mikroventils in Richtung auf die Ventilöffnung gedrückt wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei zumindest einer der Schritte Bereistellen (100) eines ersten Bauteils, Bilden (110) einer Schicht, Fertigstellen (120) des Mikroventils durch Zusammenfügen (120a) oder ein Schritt des Einstellens einer definierten Vorspannung, mit der die Ventilklappe auf dem Ventilsitz drückt, über die Dauer oder die Rate eines Ätzprozesses durchgeführt wird.