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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Mikroverfahrenstechnik
und der Regelung thermischer Prozesse auf die Bereitstellung eines
thermopneumatischen Mikroventils, welches eine Regulierung von z.
B. Gasströmen in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur
ermöglicht.
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In
der Mikroverfahrenstechnik und bei der Regelung thermischer Prozesse,
insbesondere in Mikroreaktoren oder Mikrobrennern, werden heutzutage
Mikroventile verwendet, welche vorzugsweise mit Hilfe von Widerstandsheizelementen
in Form von Heizfilmen oder Heizblöcken gesteuert werden.
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Aus
dem Stand der Technik ist so beispielsweise ein Mikroventil bekannt,
welches ein Substrat mit einem Flusskanalsystem, eine Membran und
ein Heizsystem aufweist. Im Substrat befinden sich ein Eintrittskanal
und ein Austrittskanal, welche über eine Lücke
im Kanal direkt unterhalb der Membran verbunden sind. Oberhalb der
Membran befindet sich das Heizsystem, welches ein Arbeitsfluid und
Heizelemente, welche die Temperatur des Arbeitsfluids regeln, aufweist.
Um die Kanallücke zwischen Eintritts- und Austrittskanal
zu versperren, wird das Arbeitsfluid mit Hilfe der Heizelemente
aufgeheizt, so dass sich das Arbeitsfluid ausdehnt. Aufgrund der
Ausdehnung wird die Membran ausgebeult und die Kanallücke zwischen
Eintritts- und Austrittskanal versperrt.
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Dieses
Problem wird durch ein Zweikammermikroventil, wie es beispielsweise
von H. Takao in „A MEMS microvalve with PDMS diaphragm
and two-chamber configuration of thermo-pneumatic actuator for integrated
blond test system an silicon", Sensors and Actuators A
119 (2005) beschrieben wird. Ein solches thermopneumatisches
Mikroventil weist in einem Siliziumsubstrat eine Heizkammer mit einem
Mikroheizer und einer Aktorkammer auf, welche über einen
Verbindungskanal miteinander verbunden sind. Oberhalb des Siliziumsubstrats
ist ein Glassubstrat angeordnet, welches an seiner Unterseite einen
ersten und einen zweiten benachbarten Fließkanal aufweist.
Der erste und der zweite Fließkanal befinden sich oberhalb
der Aktorkammer, wobei der erste und der zweite Fließkanal
durch eine PDMS-Schicht von der Aktorkammer getrennt sind. Im geöffneten
Zustand des Mikroventils ist die PDMS-Schicht in Richtung der Aktorkammer
ausgebeult, so dass eine Kanallücke zwischen dem ersten und
dem zweiten Fließkanal entsteht. Zum Schließen des
Mikroventils wird der Heizer in der Heizkammer betätigt,
so dass das Arbeitsmedium sich in der Heizkammer und damit auch
der Aktorkammer ausdehnt und so die PDMS- Schicht nach oben in Richtung
der Trennwand zwischen erstem und zweitem Fließkanal gedrückt
wird. Somit schließt sich die Kanallücke zwischen
erstem und zweitem Fließkanal und das Ventil ist geschlossen.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten thermopneumatischen Mikroventile
erfordern jedoch den Einsatz von Temperaturmessgeräten,
wie beispielsweise Thermoelementen, und einen Mikrocontroller zum
Regeln des Heizers. Damit ist der Betrieb des Ventils auf den Einsatz
elektrischer Energie angewiesen. Außerdem erweist sich
die Herstellung solcher Mikroventile insbesondere aufgrund des Einsatzes
eines Heizelementes als schwierig und kostenintensiv.
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Ausgehend
vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein thermopneumatisches Mikroventil zur Verfügung zu stellen, welches
auf einer einfachen Bauweise beruht und die oben genannten Nachteile
der bekannten Mikroventile beseitigt.
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Diese
Aufgabe wird durch das Mikroventil nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Mirkoventils werden in den abhängigen
Ansprüchen gegeben. In Anspruch 16 werden erfindungsgemäße
Verwendungen aufgeführt.
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Erfindungsgemäß weist
ein Mikroventil zumindest einen Ventilraum mit einem Eintritts-
und einem Austrittskanal, einen Expansionsraum, in welchem ein Arbeitsmedium
(Phasenwechselmaterial) enthalten ist, und eine trennende Membran,
welche zwischen dem Ventilraum und dem Expansionsraum angeordnet
ist, auf. Das Mikroventil ist dabei so ausgebildet, dass im geöffneten
Zustand ein Fluid vom Eintrittskanal durch den Ventilraum in den
Austrittskanal strömen kann, während im geschlossenen
Zustand das Durchströmen des Fluids vom Eintrittskanal
durch den Ventilraum in den Austrittskanal durch eine Deformation
der trennenden Membran, welche auf die Expansion des Arbeitsmediums
zurückzuführen ist, verhindert wird.
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Die
Deformation der trennenden Membran, welche auf der Expansion des
Arbeitsmediums beruht, erfolgt vorzugsweise derart, dass die Membran sich
in Richtung des Ventilraums wölbt bzw. ausdehnt, wodurch
sich der Strömungsquerschnitt der Ventilkammer verengt
und schließlich die Ventilkammer vollständig verschlossen
wird. Die Membran berührt somit vorzugsweise die ihr gegenüberliegende Seite
des Ventilsraums, so dass die Strömung des Fluids vom Eintrittskanal
durch den Ventilraum in den Austrittskanal unterbrochen wird.
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Zur
Expansion des Arbeitsmediums kommt es aufgrund eines kontinuierlichen
Austauschs von Wärmeenergie zwischen dem mehrlagigen keramischen
Substrat, welches das Mikroventil ausbildet, und dem Phasenwechselmaterial
im Expansionsraum. Das Arbeitsmedium nimmt somit durch Wärmeleitung
Wärmeenergie aus den den Expansionsraum umgebenden keramischen
Lagen auf und ist damit in direktem thermischen Kontakt mit der
Umgebung des Mikroventils. Somit wird das erfindungsgemäße
thermopneumatische Mikroventil letztlich durch die Umgebungstemperatur
des Mikroventils gesteuert. Nachdem unterschiedliche Arbeitsmedien unterschiedliche
Verdampfungstemperaturen aufweisen, richtet sich der Betriebspunkt
des Mikroventils beispielsweise auch nach der Verdampfungstemperatur
des verwendeten Arbeitsmediums. Das erfindungsgemäße
Mikroventil ist also thermosensitiv und hat den Vorteil, dass auf
den Einsatz von Temperaturmessgeräten und Mikrocontrollern
verzichtet werden kann. Somit ist für den Be trieb des Ventils
keine elektrische Hilfsenergie notwendig.
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Das
Arbeitsmedium wird vorzugsweise so gewählt, dass es auf
die für die Regelung des Ventils erforderlichen Temperaturbedingungen
abgestimmt ist. So spielt beispielsweise die Verdampfungstemperatur
des Arbeitsmediums bei der Wahl des Arbeitsmediums eine Rolle.
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Als
Arbeitsmedien bieten sich vorzugsweise Fluide aus der Gruppe bestehend
aus Öl, Alkohol, Wasser, Äther und Mischungen
hiervon an. Soll der Betriebspunkt des Mikroventils z. B. niedrig
liegen, so sind vorzugsweise Alkohole, welche schon bei niedrigen
Temperaturen zum Verdampfen neigen, als Arbeitsmedium einzusetzen.
Soll der Betriebspunkt dagegen bei hohen Temperaturen liegen, bieten
sich beispielsweise öle, welche eine hohe Verdampfungstemperatur
haben, als Arbeitsmedium an.
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Das
Mikroventil ist bevorzugt in keramischer Mehrlagentechnik gefertigt.
Das mehrlagige keramische Substrat des Mikroventils ist vorzugsweise
als Tieftemperaturmehrlagenkeramik (Low-Temperature Cofired Ceramics
LTCC) oder als Hochtemperaturmehrlagenkeramik (High-Temperature
Cofired Ceramics HTCC) gefertigt. Solche Keramiken ermöglichen
einen besonders vorteilhaften Wärmestrom zwischen dem mehrlagigen
Substrat des Mikroventils und dem Arbeitsmedium im Expansionsraum
des Mikroverntils. Die Verwendung von HTCC und LTCC ermöglicht
eine integrierte Herstellung der erfindungsgemäßen
Mikroventile. Damit ist eine Massenproduktion und somit auch eine
kostengünstige Herstellung möglich.
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Alternativ
kann das Mikroventil auch Elemente aus Stahl, Silizium, Keramik
oder deren Verbunden aufweisen. So können beispielsweise
in das keramische Mehrlagensubstrat einzelne Schichten (Lagen) aus
Stahl, Silizium oder anderen Keramiken als HTCC oder LTCC eingebaut
sein. In diesem Fall ist ein guter bzw. sogar verbesserter Wärmeaustausch
zwischen dem mehrlagigen Substrat des Mikroventils und dem Arbeitsmedium
im Expansionsraum gewährleistet. Es ist aber ebenso möglich,
dass das Mikroventil vollständig aus Stahl oder Silicium besteht.
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Dabei
weisen die verschiedenen Materialien eine unterschiedliche Wärmeleitung
auf. So besitzt Silicium eine Wärmeleitung von etwa 150
W/(m·K), Stahl 15 W/(m·K), HTCC 10 bis 20 W/(m·K)
und LTCC 2 bis 5 W/(m·K).
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Die
trennende Membran besteht vorzugsweise aus Halbmetallen, Metallen,
Polymeren oder deren Verbund oder enthält mindestens eines
dieser Materialien. Insbesondere Polymere sind bekannt für ihre
guten Elastizitätseigenschaften und gewährleisten
damit, dass die Membran bei der Ausdehnung des Arbeitsmediums nicht
irreversibel verformt wird und bei einer anschließenden
Volumenreduzierung des Arbeitsmediums in ihren Ausgangszustand zurückkehrt.
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Das
erfindungsgemäße Mikroventil eignet sich vorzugsweise
zum Steuern eines Gasflusses, kann aber in Einzelfällen
auch für die Regelung eines Flüssigkeitsstroms
verwendet werden.
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Die
trennende Membran ist vorteilhafterweise so zwischen der Ventilkammer
und der Expansionskammer angeordnet, dass die Membran im geöffneten
Zustand des Mikroventils im Wesentlichen planar ist. Je nach Ausgestaltung
von Ventilkammer und Expansionskammer jedoch kann die Membran auch im
geöffneten Zustand eine Wölbung in Richtung des Expansionsraums
ausbilden.
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Vorzugsweise
existiert für jedes erfindungsgemäß ausgestaltete
Mikroventil ein erster definierter Sollwert und ein zweiter definierter
Sollwert, wobei erster und zweiter Sollwert von der Wahl des Arbeitsmediums
abhängt. Beim ersten Sollwert ist das Arbeitsmedium ausgedehnt
und das Mikroventil ist verschlossen. Beim zweiten Sollwert dagegen
ist die Membran in einem Zustand, dass das Ventil geöffnet ist.
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Ausgehend
von einer im geöffneten Zustand planar ausgebildeten Membran
weist die Membran beim ersten definierten Sollwert eine Wölbung
in Richtung der Ventilkammer auf, wodurch der Strömungsquerschnitt
in der Ventilkammer verengt wird und es zu einer Abtrennung von
Einlasskanal und Auslasskanal durch Verschluss der Ventilkammer kommt.
Bei dem zweiten Sollwert kehrt die Membran in die im Wesentlichen
planare Ausgangsform zurück, so dass der Strömungsquerschnitt
in der Ventilkammer erweitert wird. Bei dem ersten und dem zweiten
Sollwert handelt es sich vorzugsweise um Temperaturangaben, wie
die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums sowie die Verflüssigungstemperatur
des Arbeitsmediums.
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Da
das thermopneumatische Mikroventil vorteilhafterweise in einem mehrlagigen
keramischen Substrat, welches einen guten bis sehr guten Wärmeaustausch
mit dem Arbeitsmedium erlaubt, ausgebildet ist, kann das erfindungsgemäße
Mikroventil ohne elektrische Energiezufuhr betrieben werden. Somit
kann beispielsweise auf einen elektrischen Heizer und auf einen
Mikrokon troller verzichtet werden.
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Dennoch
kann das Mikroventil ergänzend einen elektrischen Heizer
zur Temperierung des Arbeitsmediums oder aber zur Temperierung des
Substrats aufweisen. Somit können beispielsweise Mikroventile,
welche als Arbeitsmedium beispielsweise Öle mit hohen Verdampfungstemperaturen
aufweisen, bei niedrigeren Umgebungstemperaturen eingesetzt werden.
Der elektrische Heizer kann dabei in, an oder außerhalb
des Expansionsraums angeordnet sein. Außerdem können
Temperaturmessgeräte und Mikrokontroller eingesetzt werden,
um die Steuerung des Ventils zu überprüfen und
damit noch verlässlicher zu machen.
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Der
Gasvolumenstrom im thermopneumatischen Mikroventil kann neben dem
Wärmeaustausch zwischen Umgebung und Arbeitsmedium auch
mittels externer elektrischer oder thermischer Energie, d. h. den
gesteuerten oder geregelten Eintrag Joule'scher Wärme mittels
eines Heizelements, gesteuert oder geregelt werden. Beispielsweise
kann ein Heizelement oder ein Widerstandsdraht eingesetzt werden.
Alternativ kann auch durch eine Verkleinerung des Volumens der Expansionskammer der
Druck in der Expansionskammer erhöht werden und zu der
Wölbung der Membran und damit zum Verschließen
des Ventils führen.
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Erfindungsgemäß wird
auch eine Mikroventilanordnung bereitgestellt, die mindestens ein
Mikroventil, wie es zuvor beschrieben wurde, aufweist, wobei die
Mikroventile in Reihe, parallel oder in einer Matrix angeordnet
sein können. Um die einzelnen Mikroventile bei unterschiedlichen
Temperaturen schließen und öffnen zu können,
ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Mikroventile zumindest teilweise unterschiedliche
Ar beitsmedien aufweisen.
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Die
erfindungsgemäßen Mikroventile finden beispielsweise
bei der Regelung von Mikrobrennern, Mikrogeneratoren und Mikroreformern,
Mikroreaktoren, Mikrobrennstoffzellen, Kühl- oder Heizsystemen und
in der Mikroverfahrenstechnik sowie der Mikroenergietechnik und
der Mikroanalytik Verwendung.
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Im
Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer
thermopneumatischer Mikroventile gegeben. Es zeigen
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1 den
schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Mikroventils;
und
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2A bis 2C die
Funktion des in 1 dargestellten Mikroventils.
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Das
erfindungsgemäße Mikroventil kann in den Formen „normal
offen” oder „normal geschlossen” ausgeführt
sein. 1 zeigt das erfindungsgemäße
Ventil in der Variante „normal offen”. Die Auslegung
des Ventils muss daher in enger Abstimmung mit der zu regelnden
Baugruppe erfolgen, d. h. das Mikroventil muss sich in der Nähe
der zu regelnden Baugruppe befinden.
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In 1 ist
der rechteckige Querschnitt durch ein mehrlagiges keramisches Substrat 1,
welches als HTCC oder LTCC ausgebildet ist, gezeigt. Die Lagen des
keramischen Substrats 1 liegen dabei horizontal ausgerichtet übereinander.
Mittig in dem Substrat 1 angeordnet befindet sich eine
Expansionskammer 2, deren Unterseite 2a und deren
Seitenwände 2b durch das Substrat 1 gebildet
sind und deren Oberseite durch eine planare, horizontal ausgerichtete
Trennmembran 3 gebildet wird. Oberhalb der Trennmembran 3 grenzt
ein Ventilraum 4 an, dessen Oberseite 4a und dessen
Seitenwände 4b durch das mehrlagige Substrat 1 ausgebildet
sind. Links vom Ventilraum 4 weist das mehrlagige Substrat 1 einen Eintrittskanal 5 auf,
welcher an der linken Seitenwand 4b des Ventilraums 4 in
den Ventilraum 4 übergeht. Auf der rechten Seite
des Ventilraums 4 weist das Substrat 1 einen Austrittskanal 6 auf,
welcher auf der rechten Seitenwand 4b des Ventilraums 4 aus
dem Ventilraum 4 abzweigt. Das zu regelnde Fluid (Gas) bewegt
sich in dem Eintrittskanal 5 in Richtung des Ventilraums 4,
durch den Ventilraum 4 hindurch und in den Austrittskanal 6.
Die Doppelpfeile mit der Referenzzahl 7 deuten den Wärmeaustausch
zwischen dem mehrlagigen keramischen Substrat 1 und dem
in der Expansionskammer 2 befindlichen Arbeitsmedium über
die Unterseite 2a und die Seitenwände 2b der
Expansionskammer 2.
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Die 2A bis 2C zeigen
die Funktion des in 1 dargestellten Mikroventils,
dessen Trennmembran 3 in geöffnetem Zustand des
Ventils planar ausgebildet ist. So weist das Mikroventil in den 2a bis 2c wiederum
ein mehrlagiges Substrat aus LTCC oder HTCC, eine Expansionskammer 2,
eine Trennmembran 3, einen Ventilraum 4 sowie einen
Eintrittskanal 5 und einen Austrittskanal 6 auf. 2A zeigt
ein geöffnetes Ventil, 2B ein
halb geöffnetes Ventil und 2C ein
geschlossenes Ventil.
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Die
Pfeile mit der Referenznummer 8 in 2A geben
die Bewegungsrichtung des zu steuernden Fluids an. So bewegt sich
das Fluid durch den Eintrittskanal 5 über den
Ventilraum 4 in den Austrittskanal 6. Die Pfeile
mit der Referenzzahl 9 geben den Strömungsquerschnitt im
Ventilraum 4 an. In 2A ist
die Trennmembran 3 planar dargestellt und der Strömungsquerschnitt
maximal.
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Wird
durch einen Prozess die Temperatur des LTCC/HTCC erhöht,
so bildet sich zwischen dem Wandmaterial 1 und dem Arbeitsmedium
ein Temperaturgradient aus. Infolge dessen entsteht ein Wärmestrom
vom Wandmaterial 1 in das Wärmemedium. Dadurch
verdampft das Arbeitsmedium. Die Membran 3 wölbt
sich in den Ventilraum 4 hinein und verengt den Strömungsquerschnitt
des Ventilraums 4.
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Dies
ist in 2B dargestellt. Das zu steuernde
Fluid bewegt sich entlang der Pfeilrichtung der Pfeile 8 durch
den Eintrittskanal 5 in den Ventilraum 4 und von
dort aus weiter in den Austrittskanal 6. Die Trennmembran 3 weist
jedoch in 2B eine Wölbung 3a in
Richtung des Ventilraums 4 auf. Aufgrund der Wölbung 3a wird
der Strömungsquerschnitt, welcher durch die Pfeile mit
der Referenznummer 9 dargestellt ist, im Ventilraum 4 verringert.
Dadurch wird die Menge des entlang der Strömungsrichtung 8 strömenden
Fluids verringert.
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Solange
zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wandmaterial 1 ein Temperaturgradient herrscht,
wird das Arbeitsmedium weiter verdampft, bis die Wölbung 3a der
Membran 3 schließlich so ausgeprägt ist,
dass der gesamte Strömungsquerschnitt geschlossen ist.
Dies ist nun in 2C gezeigt. In 2C ist
die Trennmembran 3 so stark gewölbt, dass die
Membran 3 im Scheitelpunkt 3b der Wölbung 3a mit
der Oberseite 4a des Ventilraums 4 in Kontakt
ist. Somit geht der Strömungsquerschnitt, welcher durch
die Pfeile 9 definiert ist, gegen 0 und die Strömung
des Fluides vom Eintrittskanal 5 durch den Ventilraum 4 in
den Austrittskanal 6 wird durch die Wölbung 3a der
Membran 3 vollständig unterbunden. Das Mikroventil
ist somit vollständig geschlossen. Fällt die Temperatur
des Wandmaterials 1, so kühlt sich das Arbeitsmedium über
die Wand 1 ab. Dabei verringert sich das Volumen des Arbeitsmediums
und die Membran 3 nimmt die ursprüngliche Form,
wie in 2A gezeigt, an.
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Nachdem
das erfindungsgemäße thermopneumatische Mikroventil
thermosensitiv ist, lassen sich bevorzugt thermische Prozesse in
der Mikroverfahrenstechnik regeln, ohne dass der Einsatz von Temperaturfühlern
oder Temperaturmessgeräten und Mikrocontrollern erforderlich
ist. Da somit auf eine externe elektrische oder thermische Energiezufuhr
verzichtet werden kann, kann das Mikroventil eine kompakte Bauweise
aufweisen und einfach und kostengünstig produziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - H. Takao in „A
MEMS microvalve with PDMS diaphragm and two-chamber configuration
of thermo-pneumatic actuator for integrated blond test system an
silicon”, Sensors and Actuators A 119 (2005) [0004]