DE102019211941B3

DE102019211941B3 - Mikrostrukturierte fluidflussregelvorrichtung

Info

Publication number: DE102019211941B3
Application number: DE102019211941.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Wald; Sebastian KIBLER; Martin Wackerle; Yücel Congar
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: CN112340690B; US11555725B2; CN112340690A; US20210041280A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) mit einem Substrat (110) mit einer auf einer ersten Substratseite (111) angeordneten piezobetätigten ersten Membran (101) und einem sich von der ersten Substratseite (111) zu einer gegenüberliegenden zweiten Substratseite (112) durch das Substrat (110) hindurch erstreckenden Fluidkanal (104). Ferner weist die Fluidflussregelvorrichtung (100) ein sich durch den Fluidkanal (104) hindurch erstreckendes Mikroventil (105), das ausgestaltet ist, um den Fluidkanal (104) in einem unbetätigten Zustand zu verschließen, und eine auf der ersten Substratseite (111) und von der ersten Membran (101) beabstandet angeordnete zweite Membran (102), die zwischen dem Fluidkanal (104) und der ersten piezobetätigten Membran (101) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist die zweite Membran (102) mit dem Mikroventil (105) gefügt und mechanisch in Richtung der ersten Membran (101) vorgespannt ist, sodass eine Vorspannkraft (Fv) auf das Mikroventil (105) ausgeübt wird, wobei die Vorspannkraft (Fv) Teil einer Rückstellkraft (FR) ist, die bewirkt, dass das Mikroventil (105) in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal (104) verschließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung, und insbesondere ein mikrostrukturiertes Ventil sowie einen regelbaren Strömungswiderstand im Sinne eines Proportionalventils. Einige Ausführungsbeispiele stellen ein normalschließendes Mikroventil mit Piezo-Membran-Aktor und invertierendem Übertragungselement sowie ein normalschließendes Mikroventil mit Piezoscheibenaktor bereit.
Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Mikrofluidik, und insbesondere auf dem technischen Gebiet der Mikrodosiertechnik, bei der kleinste Mengen im Mikroliter- und Sub-Mikroliterbereich dosiert abgegeben werden können. Die Mikrodosiertechnik findet insbesondere Anwendung im medizinischen Umfeld, zum Beispiel bei (subkutanen) Mikrodosierpatches, Kathetern, Implantaten und dergleichen. Die Mikrodosiertechnik kann aber auch im industriellen Umfeld vorteilhaft eingesetzt werden, so zum Beispiel in der Mikrohydraulik bzw. -pneumatik, als Absperrventil, zur ultrafeinen Öldosierung und dergleichen mehr.
Viele Anwendungen in der Mikrodosiertechnik benötigen eine Vorrichtung, um den Fluidfluss präzise zu regeln, sowie eine aktive Sperrvorrichtung im hydraulischen oder pneumatischen Fluidkreislauf bei geringstmöglichem Energieverbrauch. Zudem wird oftmals ein geschlossener Zustand bei Ausfall der Energieversorgung gefordert. Beispielhafte Anwendungen hierfür sind extrakorporale oder implantierbare Medikamentendosiersysteme, in denen eine Fehldosierung schwerwiegende Folgen haben kann aber auch Anwendungen aus der Industrie wie die kontinuierliche Versorgung von schnelldrehenden Kugellagern mit Kleinstmengen von Schmiermittel. Hier würde ein stromlos geschlossenes Ventil als Abschaltvorrichtung fungieren, die bei Strom- oder Funktionsausfall verhindert, dass sich der ölbefüllte Dosierkanal im inaktiven Zustand entleert. Die Eigenschaft, im stromlosen bzw. unbetätigten Zustand einen Fluidkanal zu verschließen, wird hierin auch als „normal schließend“ bezeichnet.
In der Mikrodosiertechnik werden hierfür beispielsweise piezobetätigte Mikropumpen verwendet, wobei die Pumpenmembran mittels eines, auch als Piezomembranaktor bezeichneten, Piezoelements betätigbar ist. Die Herausforderung bei der Gestaltung eines solchen Elements liegt in der prinzipiellen Eigenschaft von Piezomembranaktoren. Deren Kraft- und Auslenkungsvermögen ist asymmetrisch. Wird zum Beispiel ein scheibenförmiger Piezomembranaktor auf eine Membran aufgebracht, erfolgt eine laterale Kontraktion durch Anlegen eines positiven elektrischen Feldes, was zu einer Membranauslenkung nach unten führt. Beim Anlegen einer negativen Spannung hingegen krümmt sich der Membranaktor nach oben. Aufgrund der Piezophysik lässt sich hierbei, im Gegensatz zur positiven Spannung, nur eine relativ niedrige negative Spannung anlegen bevor sich der Piezo umpolarisiert.
Daher ist der Aktor vorteilhaft insbesondere in der Bewegungsrichtung nach unten technisch effizient nutzbar, das heißt mit einer hohen Öffnungskraft und einer großen Auslenkung im Verhältnis zur seiner Baugröße. Insbesondere bei der Miniaturisierung eines normalschließenden Mikroventils ist dies von großer Bedeutung da bei Piezomembranaktoren nur ein vertikaler Hub von wenigen Mikrometern zur Verfügung steht und oftmals ein hoher Durchfluss in offenem Zustand gefordert wird. Zudem reduziert sich dieser Hub durch anliegende Vorspannungs- oder Fluiddrücke.
Sowohl die DE 10 2016 201 718 A1 als auch die US 2013/0 055 889 A1 beschreiben eine Mikropumpe mit einem derartigen Piezomembranaktor. Eine Membran mit einem Piezomembranaktor ist auf einen Pumpenkörper gebondet. Innerhalb des Pumpenkörpers sind je ein mikrostrukturiertes Einlassventil sowie ein mikrostrukturiertes Auslassventil vorhanden. Die Ventile besitzen in unterschiedliche Richtung öffnende Ventilklappen, die mittels des jeweils anliegenden Fluiddrucks geöffnet bzw. geschlossen werden.
Die CN 109 578 686 A beschreibt eine Mikropumpe, bei der ein Ventil mit dessen Schaft an der Membran der Mikropumpe angeordnet ist.
Die US 6,488,652 B1 beschreibt ein implantierbares Medikamenteninfusions-Vorrichtung basierend auf einem Mikropumpenmechanismus. Die Vorrichtung weist ein Sicherheitsventil auf, dessen Schaft auf der Unterseite einer Pumpenmembran angeordnet ist.
Die DE 100 48 376 C1 beschreibt ein normal geschlossenes Mikroventil, d.h. ein Mikroventil, das im unbetätigten Zustand einen Fluidkanal verschließt. Auf einer ersten Seite einer Aktormembran ist eine Piezokeramik angeordnet, mittels derer die Aktormembran nach unten auslenkbar ist. Auf einer zweiten Seite der Aktormembran ist ein Stößel angeordnet, der beim Auslenken der Membran nach unten eine darunter angeordnete Ventilklappe bewegt. Der Stößel ist einstückig mit der Aktormembran ausgestaltet.
Dieses Mikroventil weist zwar einen relativ unkomplizierten Aufbau auf. Aufgrund der eingangs erwähnten prinzipbedingten kurzen Hübe einer piezobetätigten Membran sollte der an der Aktormembran befestigte Stößel im Ruhezustand jedoch direkt an der Ventilklappe anliegen, um gewährleisten zu können, dass der Hub der Aktormembran die Ventilklappe ohne Leerweg auf möglichst direktem Wege betätigt. Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann es hierbei jedoch dazu kommen, dass der Abstand zwischen der Aktormembran und der Ventilklappe zu gering ist, sodass der Stößel im Ruhezustand die Ventilklappe bereits leicht auslenkt. Dies kann wiederum dazu führen, dass die Ventilklappe im Ruhezustand leicht geöffnet bleibt und die Dichtigkeit des normal geschlossenen Mikroventils somit nicht mehr gewährleistet werden kann.
Um einen Abstand zwischen der Aktormembran und der Ventilklappe zu schaffen, schlägt die US 9 410 641 B2 vor, eine Mikropumpe mit einer im unbetätigten Zustand mechanisch vorgespannten piezobetätigten Membran bereitzustellen. Hierbei wird beim Herstellen der Mikropumpe eine elektrische Spannung an den Piezomembranaktor angelegt. Diese elektrische Spannung bewirkt, dass sich der Piezomembranaktor, und damit auch die damit verbundene Membran, nach außen wölbt. Diese gewölbte Anordnung aus Membran und Piezomembranaktor wird dann auf einem Pumpensubstrat befestigt. Nach dem Befestigen wird die elektrische Spannung wieder weggenommen. Im Ergebnis entsteht eine im unbetätigten Zustand mechanisch vorgespannte Membran, die vom Substrat weg gewölbt und von der Ventilklappe beabstandet ist.
Somit kann im Ruhezustand eine Beabstandung zwischen der Ventilklappe und dem die Ventilklappe betätigenden Stößel erreicht werden, um gewährleisten zu können, dass die Ventilklappe des in der DE 100 48 376 C1 beschriebenen normal geschlossenen Mikroventils im Ruhezustand nicht durch den Stößel offengehalten wird. Dadurch kann eine Dichtigkeit im Ruhezustand gewährleistet werden.
Allerdings kann es hierbei wiederum dazu kommen, dass die vorgespannte Membran aufgrund von Fertigungstoleranzen zu stark vorgespannt ist, sodass der Abstand zwischen dem daran befestigten Stößel und der Ventilklappe im Ruhezustand zu groß ist. Aufgrund der eingangs erwähnten prinzipbedingten kurzen Hübe einer piezobetätigten Membran kann dies dazu führen, dass der Hub nicht ausreichend groß ist, um die Ventilklappe ordnungsgemäß zu betätigen.
Man könnte nun im Herstellungsprozess versuchen, die oben erwähnten Fertigungstoleranzen zu minimieren. Da es sich hierbei jedoch um mikrostrukturierte Bauteile handelt, muss ein großer Aufwand betrieben werden, um entsprechende Fertigungstoleranzen im Mikrometer- oder Nanometerbereich zu optimieren. Sowohl das Minimieren der Fertigungstoleranzen als auch die Qualitätssicherung wären hierbei jedoch mit unverhältnismäßig hohen Kosten verbunden, was wiederum dem Wunsch nach einem einfachen und kostengünstigen Aufbau widerstreben würde.
Bei der Herstellung von derartigen mikrostrukturierten Pumpen, Ventilen, beziehungsweise Fluidflussreglern im Allgemeinen, besteht somit ein Zielkonflikt zwischen einem einfachen und kostengünstigen Aufbau und einer hochpräzisen Fertigung, die eine Betätigung unter Ausnutzung eines möglichst großen Hubs sowie das sichere Verschließen im Ruhezustand ermöglicht, um eine normal geschlossene Funktionalität gewährleisten zu können.
Es wäre demnach wünschenswert, mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtungen dahingehend zu verbessern, dass diese den oben erwähnten Zielkonflikt unter Umgehung der beschriebenen Probleme lösen.
Daher wird eine mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Ausführungsbeispiele und weitere vorteilhafte Aspekte dieser Fluidflussregelvorrichtungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Eine erste prinzipielle Ausführungsform der Erfindung betrifft eine mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung mit mindestens zwei Membranen. Die mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung weist ein Substrat mit einer auf einer ersten Substratseite angeordneten piezobetätigten ersten Membran auf. Außerdem weist die mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung einen Fluidkanal auf, der sich zwischen der ersten Substratseite und einer gegenüberliegenden zweiten Substratseite durch das Substrat hindurch erstreckt. Der Fluidkanal verläuft vorzugsweise vertikal und möglichst geradlinig durch das Substrat hindurch. Der Fluidkanal dient dazu, um einen Fluidaustausch zwischen der Fluidflussregelvorrichtung und einer Umgebung zu ermöglichen. Ferner weist die mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung ein sich zumindest abschnittsweise durch den Fluidkanal hindurch erstreckendes Mikroventil auf. Das Mikroventil ist ausgestaltet, um den Fluidkanal in einem unbetätigten Zustand zu verschließen, d.h. das Mikroventil ist als ein normalschließendes Ventil ausgestaltet. Das Mikroventil ist prinzipiell zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung bewegbar, und vorzugsweise stufenlos verstellbar. Das Mikroventil kann zumindest zwei Extremwertstellungen, d.h. eine geöffnete Stellung und eine geschlossene Stellung einnehmen, d.h. die Fluidflussregelvorrichtung regelt zwischen diesen zwei Zuständen „ganz geöffnet“ und „ganz geschlossen“. Das Mikroventil kann zwischen diesen beiden Extremwertstellungen beliebige weitere Stellungen einnehmen, d.h. die Fluidflussregelvorrichtung kann den durch den Fluidkanal strömenden Fluidfluss beliebig regeln. Gemäß dieser ersten Ausführungsform der Erfindung weist die mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung eine zweite Membran auf. Die zweite Membran ist, ebenso wie die piezobetätigte erste Membran, auf der ersten Substratseite angeordnet und dabei von der ersten Membran beabstandet. Die zweite Membran ist auf der ersten Substratseite zwischen dem Fluidkanal und der ersten piezobetätigten Membran angeordnet. Hierfür kann beispielsweise die erste piezobetätigte Membran auf einer auf der ersten Substratseite gelegenen ersten Hauptoberfläche des Substrats angeordnet sein, wobei diese erste Hauptoberfläche eine erste horizontale Substratebene definiert. Unterhalb der ersten Membran kann eine Ausnehmung in der ersten Hauptoberfläche des Substrats strukturiert sein, in der dann wiederum die zweite Membran angeordnet sein kann. Die Ausnehmung kann eine zweite horizontale Substratebene definieren, d.h. die erste Membran kann in einer ersten Substratebene angeordnet sein, und die zweite Membran kann in einer darunterliegenden zweiten Substratebene angeordnet sein, sodass die zweite Membran zwischen dem Fluidkanal und der ersten Membran angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist die zweite Membran mit dem Mikroventil gefügt, das heißt die zweite Membran ist mit dem Mikroventil fest verbunden. Vorzugsweise kann die zweite Membran nicht lösbar beziehungsweise dauerhaft mit dem Mikroventil verbunden sein. Beispielsweise können das Mikroventil und die zweite Membran miteinander gebondet, verklebt, oder verschweißt sein. Das Mikroventil kann stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der zweiten Membran gefügt sein. Ferner ist die zweite Membran erfindungsgemäß mechanisch in Richtung der ersten Membran vorgespannt. Diese mechanische Vorspannung übt eine Vorspannkraft auf das Mikroventil aus. Diese Vorspannkraft ist wiederum Teil einer Rückstellkraft, die bewirkt, dass das Mikroventil in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal von der zweiten Substratseite her verschließt. Wie eingangs erwähnt, erstreckt sich der Fluidkanal zwischen der ersten und der zweiten Substratseite vollständig durch das Substrat hindurch. Das heißt, der Fluidkanal weist eine auf der ersten Substratseite gelegene erste Fluidkanalöffnung und eine auf der zweiten Substratseite gelegene zweite Fluidkanalöffnung auf. Auf der ersten Substratseite ragt das Mikroventil aus der ersten Fluidkanalöffnung hinaus und ist dort mit der vorgespannten zweiten Membran gefügt. Auf der gegenüberliegenden zweiten Substratseite kann das Mikroventil die zweite Fluidkanalöffnung möglichst fluiddicht verschließen. Die auf der ersten Substratseite angeordnete zweite Membran dient also der Vorspannung des Mikroventils, wobei der auf der gegenüberliegenden zweiten Substratseite gelegene Teil des Mikroventils die zweite Fluidkanalöffnung, bedingt durch ebendiese Vorspannung, in einem unbetätigten Zustand verschließt. Dadurch kann ein normal geschlossenes Mikroventil realisiert werden. Zum Freigeben beziehungsweise Öffnen des Fluidkanals kann das Mikroventil mittels der piezobetätigten ersten Membran entgegen der Rückstellkraft betätigt werden, wobei die Vorspannkraft einen Teil dieser Rückstellkraft bildet. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung im Vergleich zu dem oben diskutierten Stand der Technik liegt nun insbesondere darin, dass Fertigungstoleranzen beim Vorspannen der Membran in einem deutlich höherem Maße akzeptabel sind, da bereits ein Teil der Vorspannung der zweiten Membran ausreichend sein kann, um den Fluidkanal mittels des Mikroventils dichtend abzuschließen. Das heißt, die zweite Membran muss nicht komplett in ihre vorgespannte Ausgangslage zurückkehren, um das Mikroventil soweit zurückzuziehen, dass der Fluidkanal dichtend verschlossen ist. Somit können Fertigungstoleranzen in einem weitaus größeren Maße hingenommen werden, was zu deutlichen Kosteneinsparungen in der Entwicklung und Produktion der Fluidflussregelvorrichtung führt. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Fluidflussregelvorrichtung trotzdem einen einfachen und unkomplizierten Aufbau auf, was ebenfalls zur Minimierung der Produktionsressourcen führt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Mikroventil bezüglich einer Fluidströmungsrichtung derartig angeordnet sein, dass ein in dieser Fluidströmungsrichtung strömendes Fluid eine Fluiddruckkraft auf das Mikroventil ausübt, wobei die Fluiddruckkraft zusätzlich zu der Vorspannkraft auf das Mikroventil wirkt, wobei die Vorspannkraft und die Fluiddruckkraft Teil der Rückstellkraft sind, die bewirkt, dass das Mikroventil in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal verschließt. Beispielsweise kann also der Fluidkanal als ein Einlasskanal ausgestaltet sein, wobei das Fluid von der zweiten Substratseite her in den Fluidkanal eintritt. Das Mikroventil wäre dementsprechend, zumindest abschnittsweise, in diesem Einlass angeordnet und könnte den Einlass in einem unbetätigten Zustand, aufgrund der durch die zweite Membran bedingte Vorspannkraft, auf der zweiten Substratseite verschließen. Der Fluiddruck wirkt in diesem Falle ebenfalls von der zweiten Substratseite her auf das Mikroventil. Der Fluiddruck wirkt sozusagen von unten auf das Mikroventil und drückt dieses gegen das Substrat. Dabei kann die Fluiddruckkraft vorzugsweise in gleicher Richtung wie die Vorspannkraft wirken, sodass sich die Rückstellkraft um den Betrag der Fluiddruckkraft erhöht. Das heißt, die Rückstellkraft ergibt sich aus der Fluiddruckkraft und der Vorspannkraft. Das Mikroventil ist somit einlassseitig nicht nur normal schließend (bedingt durch die Vorspannung) sondern auch selbstsperrend (bedingt durch den Fluiddruck).
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung liegt darin, dass diese auch in der entgegengesetzten Richtung, d.h. auslassseitig, normal schließend (bedingt durch die Vorspannung) und selbstsperrend (bedingt durch den Fluiddruck) sein kann. Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel kann das Mikroventil bezüglich einer Fluidströmungsrichtung derartig angeordnet sein, dass ein in dieser Fluidströmungsrichtung strömendes Fluid eine Fluiddruckkraft auf die zweite Membran ausübt, wobei diese Fluiddruckkraft zusätzlich zu der Vorspannkraft auf das mit der zweiten Membran gefügte Mikroventil wirkt, wobei die Vorspannkraft und die Fluiddruckkraft Teil der Rückstellkraft sind, die bewirkt, dass das Mikroventil in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal verschließt. Beispielsweise kann also der Fluidkanal als ein Auslasskanal ausgestaltet sein, wobei das Fluid auf der zweiten Substratseite aus dem Fluidkanal austritt. Das Mikroventil wäre dementsprechend, zumindest abschnittsweise, in diesem Auslass angeordnet und könnte den Auslass in einem unbetätigten Zustand, aufgrund der durch die zweite Membran bedingte Vorspannkraft, auf der zweiten Substratseite verschließen. Ein erster Anteil des Fluiddrucks wirkt in diesem Falle sozusagen von oben auf das Mikroventil, d.h. entgegen der Vorspannkraft, und würde eigentlich dazu führen, dass das Mikroventil öffnet. Ein größerer zweiter Anteil der Fluiddruckkraft hingegen wirkt in diesem Falle auf die zweite Membran, und zwar vorzugsweise in dieselbe Richtung wie die Vorspannkraft, sodass sich die Rückstellkraft insgesamt um den Betrag dieses zweiten Anteils der Fluiddruckkraft erhöht. Das heißt, dieser zweite Anteil der Fluiddruckkraft und die Vorspannkraft sind gemeinsam Teil der Rückstellkraft. Dies wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren deutlicher.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die piezobetätigte erste Membran ausgestaltet sein, um in einem betätigten Zustand in eine Richtung zu der zweiten Membran hin ausgelenkt zu werden und dabei das Mikroventil entgegen der Rückstellkraft zu bewegen, sodass das Mikroventil den Fluidkanal freigibt. Das Mikroventil ist somit ein mittels der piezobetätigten ersten Membran aktiv betätigtes Ventil. Dies ist zu unterscheiden von herkömmlichen Rückschlag- bzw. Drosselrückschlagventilen, die passiv über den anliegenden Fluiddruck gesteuert werden. Derartige Rückschlagventile sind zwar in der Regel ebenfalls vorgespannt, beispielsweise mittels einer Schraubenfeder. Allerdings öffnen diese Ventile nur dann, wenn die anliegende Fluiddruckkraft entgegen der Vorspannkraft wirkt und größer als die Vorspannkraft ist. Diese Ventile können nur in eine Richtung wirken und müssen somit stets richtungsabhängig eingebaut werden. Die erfindungsgemäße Fluidflussregelvorrichtung hingegen weist ein aktiv betätigtes Mikroventil auf. Dieses kann somit unabhängig von der Fluidflussrichtung eingebaut werden. Zudem kann es durch die aktive Ansteuerung viel präziser geregelt werden als ein herkömmliches Rückschlagventil.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die piezobetätigte erste Membran ausgestaltet sein, um in einem betätigten Zustand mit der zweiten Membran in Kontakt zu kommen und diese auszulenken, um das damit gefügte Mikroventil entgegen der Rückstellkraft zu bewegen. Die erste Membran wirkt in diesem Ausführungsbeispiel direkt auf die zweite Membran und lenkt diese aus. Dies führt dazu, dass das Mikroventil mittels der piezobetätigten ersten Membran indirekt über die zweite Membran betätigt wird.
Erfindungsgemäß weist das Mikroventil einen Ventilteller und einen daran angeordneten Ventilschaft auf, wobei der Ventilteller auf der der ersten Membran abgewandten zweiten Substratseite angeordnet ist, und wobei sich der Ventilschaft durch den Fluidkanal hindurch zu der auf der ersten Substratseite angeordneten ersten Membran hin erstreckt. An der auf der zweiten Substratseite gelegenen zweiten Fluidkanalöffnung kann einen Ventilsitz vorgesehen sein, in den der Ventilteller einpassbar ist. Der Ventilteller kann somit den Fluidkanal auf der zweiten Substratseite möglichst fluiddicht verschließen. Ein derartig ausgestaltetes Mikroventil weist einen einfachen und unkomplizierten Aufbau auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sich ein Abschnitt des Ventilschafts durch die zweite Membran hindurch erstrecken, sodass dieser Abschnitt zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet ist, und wobei die piezobetätigte erste Membran ausgestaltet ist, um in einem betätigten Zustand mit diesem Abschnitt in Kontakt zu kommen und den Ventilschaft hierüber entgegen der Rückstellkraft zu bewegen. Die erste Membran wirkt in diesem Ausführungsbeispiel direkt auf das Mikroventil, genauer gesagt auf den sich durch die zweite Membran hindurch erstreckenden Abschnitt des Ventilschafts. Dies führt dazu, dass das Mikroventil mittels der piezobetätigten ersten Membran direkt betätigt wird. Optional kann die erste Membran zusätzlich direkt auf die zweite Membran wirken, um diese auszulenken und das Mikroventil hierdurch zusätzlich indirekt zu betätigen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die piezobetätigte erste Membran in einem unbetätigten Zustand von dem sich durch die zweite Membran hindurch erstreckenden Abschnitt des Ventilschafts beabstandet sein. Somit kann beispielsweise ein Spiel bzw. ein Spalt zwischen der ersten Membran und dem Mikroventil vorgesehen werden, um einen Leerweg beim anfänglichen Auslenken der piezobetätigten ersten Membran zu realisieren, sodass Fertigungstoleranzen besser ausgeglichen werden können. Der Spalt hat den Vorteil, dass trotz Schwankungen im Prozess der Piezomontage das Mikroventil sicher mittels der zweiten Membran in die geschlossene Position gezogen werden kann. Die Einstellung der Nulllage der piezobetätigten Membran kann somit zuverlässig gewährleistet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der sich durch die zweite Membran hindurch erstreckende Abschnitt des Ventilschafts mit der ersten Membran gefügt sein. Hierbei sollten zwar Fertigungstoleranzen genauer eingehalten werden, allerdings kann der vertikale Hub der piezobetätigten ersten Membran ohne anfänglichen Leerweg möglichst vollumfänglich genutzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die piezobetätigte erste Membran mechanisch, in einer Richtung von der zweiten Membran weg, vorgespannt sein, sodass die piezobetätigte erste Membran in einem unbetätigten Zustand von der zweiten Membran beabstandet ist. Hierüber können sowohl Fertigungstoleranzen beim Herstellen der (vorgespannten) ersten Membran als auch beim Herstellen der vorgespannten zweiten Membran in einem verhältnismäßig großen Rahmen tolerierbar sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die piezobetätigte erste Membran ein oder mehrere Belüftungslöcher aufweisen. Dies kann vorteilhaft sein bei wechselnden Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise einem wechselnden Umgebungsdruck, der durch die Belüftungslöcher ausgeglichen werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung ausschließlich nichtmagnetische Materialien aufweisen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Fluidflussregelvorrichtung als medizinische Vorrichtung verwendet wird, die ein Patient dauerhaft, z.B. durch Implantation, tragen kann. Die nicht-magnetische Fluidflussregelvorrichtung hat den Vorteil, dass diese keine störenden Einflüsse auf MRT (Magnetresonanztomographie) Untersuchungen hat.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die piezobetätigte erste Membran einen vertikalen Hub von 20 µm bis 50 µm aufweisen. Dies unterscheidet die erfindungsgemäße mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung deutlich von makrostrukturierten Ventilen und Pumpen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die piezobetätigte erste Membran eine Membrandicke zwischen 25 µm und 150 µm aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Membran eine Membrandicke zwischen 25 µm und 150 µm aufweisen. Derartige Membrandicken eignen sich gut für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung und begünstigen einen möglichst flachen Gesamtaufbau der Fluidflussregelvorrichtung.
Zur alternativen Lösung desselben oben beschriebenen Problems wird hierin rein besipielhaft eine mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung mit einer einzelnen vorgespannten Membran beschrieben. Eine solche beispielhaft beschriebene Fluidflussregelvorrichtung kann ein Substrat mit einer auf einer ersten Substratseite angeordneten piezobetätigten Membran und einem sich zwischen der ersten Substratseite und einer gegenüberliegenden zweiten Substratseite durch das Substrat hindurch erstreckenden Fluidkanal aufweisen. Die Fluidflussregelvorrichtung weist ferner ein Mikroventil mit einem Ventilteller und einem daran angeordneten Ventilschaft auf, wobei der Ventilteller auf der der Membran abgewandten zweiten Substratseite angeordnet ist, und wobei sich der Ventilschaft durch den Fluidkanal hindurch zu der auf der ersten Substratseite angeordneten Membran hin erstreckt. Dabei kann die piezobetätigte Membran mit dem Ventilschaft gefügt und mechanisch in eine von dem Substrat weg weisende Richtung vorgespannt sein, sodass eine Vorspannkraft auf das Mikroventil ausgeübt wird. Diese Vorspannkraft ist Teil einer Rückstellkraft, die bewirkt, dass der Ventilteller in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal verschließt. Gemäß diesem Beispiel weist die Fluidflussregelvorrichtung lediglich eine einzige mechanisch vorgespannte und mit dem Mikroventil gefügte Membran auf, die somit gleichzeitig zwei Funktionen erfüllt. Zum einen dient diese Membran als Aktormembran, die mittels eines Piezoelements auslenkbar ist und das Mikroventil betätigt. Zum anderen führt die Membran aufgrund ihrer Vorspannung dazu, dass auf das Mikroventil eine Rückstellkraft ausgeübt wird, um den Fluidkanal in einem unbetätigten Zustand zu verschließen. Bei der Betätigung der Aktormembran mittels des Piezoelements, wölbt sich diese entgegen ihrer Vorspannungsrichtung und lenkt dabei das Mikroventil entgegen der Rückstellkraft aus, sodass das Mikroventil den Fluidkanal in einem betätigten Zustand öffnet. Das Vorsehen von lediglich einer Membran, die gleichzeitig die zwei oben genannten Funktionen erfüllt, führt zu einem einfachen und unkomplizierten Aufbau.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
2A eine schematische seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einem unbetätigten Zustand,
2B eine schematische seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einem betätigten Zustand,
3A eine schematische seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einem unbetätigten Zustand,
3B eine schematische seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einem betätigten Zustand,
4A eine schematische seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einem unbetätigten Zustand, wobei das Mikroventil als ein Einlassventil ausgestaltet ist,
4B eine schematische seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einem unbetätigten Zustand, wobei das Mikroventil als ein Auslassventil ausgestaltet ist,
5 eine Aktorkennlinie einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung,
6 ein Druck-Durchfluss-Diagramm einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung,
7A eine schematische seitliche Schnittansicht einer hierin rein beispielhaft beschriebenen Fluidflussregelvorrichtung in einem unbetätigten Zustand, und
7B eine schematische seitliche Schnittansicht der Fluidflussregelvorrichtung aus 7A in einem betätigten Zustand.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
1 zeigt eine erfindungsgemäße mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform.
Die Fluidflussregelvorrichtung 100 weist ein Substrat 110 auf. Das Substrat 110 kann ein Halbleitersubstrat sein und beispielsweise Silizium aufweisen, oder das Substrat 110 kann ein Metallsubstrat sein und Metall, beispielsweise Edelstahl oder Titan, aufweisen oder daraus gefertigt sein. Das Substrat 110 weist eine erste Substratseite 111 und eine gegenüberliegende zweite Substratseite 112 auf. Das Substrat 110 weist eine auf der ersten Substratseite 111 gelegene erste Hauptoberfläche 121 und eine auf der gegenüberliegenden zweiten Substratseite 112 gelegene zweite Hauptoberfläche 122 auf. Auf der ersten Substratseite 111 ist eine piezobetätigte erste Membran 101 angeordnet. Die piezobetätigte erste Membran 101 kann beispielsweise, wie exemplarisch abgebildet, auf der ersten Hauptoberfläche 121 des Substrats 110 angeordnet sein, z.B. mittels Bonding. Die erste Hauptoberfläche 121 des Substrats 110 kann demnach eine horizontale erste Substratebene L1 definieren, wobei die piezobetätigte erste Membran 101 in diesem Falle in dieser ersten Substratebene L1 angeordnet wäre.
Die piezobetätigte erste Membran 101 kann ein Piezoelement 108 aufweisen. Das Piezoelement 108 kann auf der dem Substrat 110 abgewandten Seite der ersten Membran 101 angeordnet sein. Durch Anlegen einer (z.B. negativen) elektrischen Spannung an dem Piezoelement 108 dehnt sich dieses lateral aus, was dazu führt, dass sich die erste Membran 101 nach oben, d.h. in Richtung von dem Substrat 110 weg, wölbt. Durch Anlegen einer betragsmäßig umgekehrten (z.B. positiven) elektrischen Spannung an dem Piezoelement 108 kontrahiert sich das Piezoelement 108 lateral, was dazu führt, dass die erste Membran 101 nach unten, d.h. in Richtung zu dem Substrat 110 hin, ausgelenkt wird.
Die Fluidflussregelvorrichtung 100 weist ferner einen Fluidkanal 104 auf. Der Fluidkanal 104 erstreckt sich zwischen der ersten Substratseite 111 und der gegenüberliegenden zweiten Substratseite 112 durch das Substrat 110 hindurch. Der Fluidkanal 104 kann vertikal und möglichst geradlinig sowie unterbrechungsfrei zwischen der ersten Substratseite 111 und der zweiten Substratseite 112 verlaufen.
Die Fluidflussregelvorrichtung 100 weist außerdem ein Mikroventil 105 auf. Das Mikroventil 105 weist einen Ventilabschnitt 105A auf, der sich vollständig innerhalb des Fluidkanals 104 befindet und sich vollständig durch den Fluidkanal 104 hindurch erstreckt.
Das Mikroventil 105 ist als ein normal geschlossenes Ventil ausgestaltet. Das heißt, das Mikroventil 105 ist ausgestaltet, um den Fluidkanal 104 in einem unbetätigten Zustand zu verschließen.
Hierfür weist die erfindungsgemäße Fluidflussregelvorrichtung 100 eine zweite Membran 102 auf. Die piezobetätigte erste Membran 101 und/oder die vorgespannte zweite Membran 102 können Metall oder einen Halbleiter, zum Beispiel Silizium, aufweisen oder daraus gefertigt sein. Die zweite Membran 102 ist ebenfalls auf der ersten Substratseite 111 angeordnet. Beispielsweise kann eine Ausnehmung 106 in der ersten Hauptoberfläche 121 des Substrats 110 strukturiert sein. In dieser Ausnehmung 106 kann die zweite Membran 102 angeordnet sein. Die Ausnehmung 106 kann eine horizontale zweite Substratebene L2 definieren, wobei die zweite Membran 102 in dieser zweiten Substratebene L2 angeordnet ist. Allgemeiner formuliert kann das Substrat 110 auf der ersten Substratseite 111 ein oder mehrere horizontale Substratebenen L1, L2 aufweisen, die in vertikaler Richtung voneinander beabstandet sein können, und wobei die erste Membran 101 in der ersten Substratebene L1 und die zweite Membran 102 in der zweiten Substratebene L2 angeordnet ist.
Die erste Substratebene L1 kann dabei weiter von der zweiten Substratseite 112 beabstandet sein als die zweite Substratebene L2. Prinzipiell können die erste Substratebene L1 und die zweite Substratebene L2 vertikal voneinander beabstandet sein. Somit kann auch die erste Membran 101 von der zweiten Membran 102 vertikal beabstandet angeordnet sein. Der Fluidkanal 104 ist unterhalb der zweiten Membran 102 angeordnet, d.h. die zweite Membran 102 ist zwischen dem Fluidkanal 104 und der ersten piezobetätigten Membran 101 angeordnet.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die zweite Membran 102 erfindungsgemäß mit dem Mikroventil 105 gefügt. Das heißt, das Mikroventil 105 und die zweite Membran 102 sind fest miteinander verbunden, vorzugsweise dauerhaft und unlösbar. Das Mikroventil 105 kann beispielsweise an die zweite Membran 102 gebondet, geklebt oder geschweißt sein.
Ferner ist die zweite Membran 102 erfindungsgemäß mechanisch vorgespannt, und zwar nach oben, d.h. in Richtung der ersten Membran 101. Aufgrund dieser mechanischen Vorspannung wird eine Vorspannkraft F_V auf das Mikroventil 105 ausgeübt, wobei diese Vorspannkraft F_V Teil einer Rückstellkraft F_R ist, die bewirkt, dass das Mikroventil 105 in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal 104 verschließt. Das heißt, $F_{R} = F_{V} + X,$
wobei X = 0 oder eine optionale weitere Kraftkomponente sein kann.
Die piezobetätigte erste Membran 101 wird hierin auch als eine Aktormembran bezeichnet. Die vorgespannte zweite Membran 102, die mit dem Mikroventil 105 gefügt ist, wird hierin auch als Ventilmembran bezeichnet. Gemäß Ausführungsbeispielen kann auch die erste Membran 101 mechanisch vorgespannt sein.
Das mechanische Vorspannen der Membran 101,102 kann im Wesentlichen nach einem Verfahren erfolgen, wie dies in der US 9 410 641 B2 beschrieben ist und deren Inhalt hiermit explizit per Referenz eingeschlossen ist.
Die 2A und 2B zeigen ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform mit zwei Membranen 101, 102. 2A zeigt die Fluidflussregelvorrichtung 100 in einem unbetätigten Zustand und 2B zeigt die Fluidflussregelvorrichtung 100 in einem betätigten Zustand.
Die hier abgebildete Fluidflussregelvorrichtung 100 weist eine auf der ersten Substratseite 111 und in einer ersten horizontalen Substratebene L1 angeordnete piezobetätigte erste Membran 101 auf. Ferner weist die Fluidflussregelvorrichtung 100 eine auf der ersten Substratseite 111 und in einer zweiten horizontalen Substratebene L2 angeordnete, mechanisch vorgespannte, zweite Membran 102 auf.
Wie in 2A zu sehen ist, kann zusätzlich zu der zweiten Membran 102 auch die erste Membran 101 mechanisch vorgespannt sein. Aufgrund der Vorspannung kann die erste Membran 100 zumindest abschnittsweise über die erste Substratebene L1 hinausragen. Dadurch vergrößert sich ein Abstand zwischen der ersten Membran 101 und der zweiten Membran 102.
Die zweite Membran 102 ist ebenfalls mechanisch vorgespannt, und zwar in eine Richtung zu der ersten Membran 101 hin, d.h. die zweite Membran 102 kann prinzipiell in dieselbe Richtung vorgespannt sein wie die erste Membran 101. Die Vorspannung der zweiten Membran 102 wirkt direkt auf das mit der zweiten Membran 102 gefügte Mikroventil 105 und zieht das Mikroventil 105 nach oben, d.h. in Richtung der ersten Membran 101. Dadurch verschließt das Mikroventil 105, in dem in 2A gezeigten unbetätigten Zustand, den Fluidkanal 104.
In 2B ist ein betätigter Zustand der Fluidflussregelvorrichtung 100 abgebildet. Hier liegt rein exemplarisch eine elektrische Spannung von + 300 V an dem Piezoelement 108 an. In Folge dessen kontrahiert sich das Piezoelement 108 und lenkt die erste Membran 101 nach unten, d.h. in eine Richtung zu der zweiten Membran 102 hin, aus.
Die erste Membran 101 kommt zur Anlage mit der zweiten Membran 102 und lenkt die zweite Membran 102 dabei mit aus. Die durch das Piezoelement 108 auf die erste Membran 101 ausgeübte Betätigungskraft F_P ist hierbei größer als die auf das Mikroventil 105 wirkende Rückstellkraft F_R. Dadurch wird das Mikroventil 105 entgegen der Rückstellkraft F_R betätigt, welches daraufhin den Fluidkanal 104 freigibt beziehungsweise öffnet.
Wenn die elektrische Spannung nicht mehr anliegt, kehrt die erste Membran 101 wieder in ihre in 2A gezeigte unbetätigte Ausgangslage zurück. Der Betrag der Rückstellkraft F_R übersteigt dabei wieder den Betrag der Betätigungskraft F_P, sodass das Mikroventil 105 ebenfalls wieder in seine in 2A gezeigte unbetätigte Ausgangslage zurückkehrt und den Fluidkanal 104 wieder verschließt. Diese Funktion wird auch als normalschließend bezeichnet.
Die 3A und 3B zeigen ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform mit zwei Membranen 101, 102. 3A zeigt die Fluidflussregelvorrichtung 100 in einem unbetätigten Zustand und 3B zeigt die Fluidflussregelvorrichtung 100 in einem betätigten Zustand.
In der hier gezeigten Variante weist das Mikroventil 105 einen Ventilteller 116 und einen daran angeordneten Ventilschaft 117 auf. Der Ventilteller 116 ist auf der der ersten Membran 101 abgewandten zweiten Substratseite 112 angeordnet und verschließt im unbetätigten Zustand den Fluidkanal 104. Genauer gesagt verschließt der Ventilteller 116 eine auf der zweiten Substratseite 112 angeordnete Fluidkanalöffnung.
Der Ventilschaft 117 erstreckt sich durch den Fluidkanal 104 hindurch, ausgehend von dem Ventilteller 116, in Richtung der ersten Substratseite 111 bis hin zu der zweiten Membran 102.
Zusätzlich zu dem zuvor in den 2A und 2B gezeigten Ausführungsbeispiel weist der in den 3A und 3B gezeigte Ventilschaft 117 einen Abschnitt 115 auf, der sich durch die zweite Membran 102 hindurch erstreckt und über die zweite Membran 102 hinaus in Richtung der ersten Membran 101 ragt. Das heißt, dieser sich durch die zweite Membran 102 erstreckende Abschnitt 115 des Ventilschafts 117 ist zwischen der ersten Membran 101 und der zweiten Membran 102 angeordnet.
Wie nun in 3B zu sehen ist, lenkt das Piezoelement 108 die erste Membran 101 beim Anlegen einer Spannung nach unten, d.h. in Richtung des Fluidkanals 104, aus. Dabei kommt die ausgelenkte erste Membran 101 mit dem sich durch die zweite Membran 102 hindurch erstreckenden Abschnitt 115 des Ventilschafts 117 in Kontakt. Diese dabei ausgeübte Betätigungskraft F_P wirkt über den Abschnitt 115 direkt auf den Ventilschaft 117 und somit direkt auf das gesamte Mikroventil 105. Sofern der Betrag der Betätigungskraft F_P größer ist als der Betrag der Rückstellkraft F_R hebt sich das Mikroventil 105, beziehungsweise der Ventilteller 116, von dem Fluidkanal 104 ab und öffnet diesen.
Wenn die elektrische Spannung nicht mehr anliegt, kehrt die erste Membran 101 wieder in ihre in 3A gezeigte unbetätigte Ausgangslage zurück. Der Betrag der Rückstellkraft F_R übersteigt dabei wieder den Betrag der Betätigungskraft Fp, sodass das Mikroventil 105 ebenfalls wieder in seine in 3A gezeigte unbetätigte Ausgangslage zurückkehrt und der Ventilteller 116 den Fluidkanal 104 wieder verschließt.
Die 4A und 4B zeigen nochmals eine erfindungsgemäße Fluidflussregelvorrichtung 100 in einem unbetätigten Zustand, um die wirkenden Kräfte näher zu beschreiben.
In 4A strömt das Fluid 400 von einer Umgebung in Richtung des Fluidkanals 104. Somit wäre in diesem Beispiel der Fluidkanal 104 ein Einlasskanal und das Mikroventil 105 wäre als ein Einlassventil ausgestaltet. Bei geöffnetem Mikroventil 105 kann das Fluid 400 in einen auch als Fluidkammer bezeichneten Raum 402 zwischen der zweiten Membran 102 und dem Substrat 110 eintreten und aus einem Auslasskanal 401 wieder austreten.
In dem hier abgebildeten Fall wirkt zusätzlich zu der Vorspannkraft F_V , die durch die Vorspannung der zweiten Membran 102 verursacht wird, eine Fluidkraft F_F direkt auf das Mikroventil 105. In dem vorliegenden Beispiel wirkt die Fluidkraft F_F beispielsweise direkt von unten, d.h. von der Umgebung her, auf den Ventilteller 116. Die Fluidkraft F_F wirkt dabei im Wesentlichen in dieselbe Richtung wie die Vorspannkraft Fv. Somit verstärkt sich der normal schließende Effekt, bei dem das Mikroventil 105 den Fluidkanal 104 in einem unbetätigten Zustand verschließt. Die Rückstellkraft F_R setzt sich in diesem Fall im Wesentlichen aus der Vorspannkraft F_V und der zusätzlich wirkenden Fluidkraft F_F zusammen, d.h. $F_{R} = F_{V} + F_{F}$
Allgemeiner ausgedrückt kann das Mikroventil 105 bezüglich einer Fluidströmungsrichtung derartig angeordnet sein, dass ein in dieser Fluidströmungsrichtung strömendes Fluid 400 eine Fluiddruckkraft F_F auf das Mikroventil 105 ausübt, wobei die Fluiddruckkraft F_F zusätzlich zu der Vorspannkraft F_V und in gleicher Richtung wie die Vorspannkraft F_V auf das Mikroventil 105 wirkt, wobei die Vorspannkraft Fv und die Fluiddruckkraft F_F Teil der Rückstellkraft F_R sind, die bewirkt, dass das Mikroventil 105 in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal 104 verschließt.
Die Fluidflussregelvorrichtung 100 ist somit in Einlassrichtung nicht nur normal geschlossen sondern auch selbstsperrend.
In 4B strömt das Fluid 400 von einer Umgebung durch einen Einlass 404 in den auch als Fluidkammer bezeichneten Raum 402 zwischen der zweiten Membran 102 und dem Substrat 110. Somit wäre in diesem Beispiel der Fluidkanal 104 ein Auslasskanal und das Mikroventil 105 wäre als ein Auslassventil ausgestaltet.
In diesem Fall wirkt ein k-ter Teil F_K der Fluidkraft F_F entgegen der Rückstellkraft F_R von oben, d.h. von der ersten Substratseite 111 her, auf das Mikroventil 105, genauer gesagt auf den Ventilteller 106. Ein m-ter Teil F_M der Fluidkraft F_F wirkt in dieselbe Richtung wie die Rückstellkraft F_R von unten, d.h. in Richtung der ersten Membran 101, auf die zweite Membran 102.
In einem Ausführungsbeispiel weist die zweite Membran 102 eine erste Angriffsfläche A_M für das Fluid 400 auf, und der Ventilteller 116 weist eine zweite Angriffsfläche Av für das Fluid 400 auf. Hierbei bietet die zweite Membran 102 dem Fluid 400 eine größere Angriffsfläche, d.h. A_M > A_V. Der auf die jeweilige Fläche A_M bzw. Av wirkende Fluiddruck P_Fluid erzeugt eine dazu proportionale Fluidkraft, d.h. F_M = P_Fluid · A_M und F_K = P_Fluid · A_K. Da bei gleichem Fluiddruck P_Fluid gilt A_M > A_V ist somit auch F_M > F_V . Das heißt, die auf die zweite Membran 102 in Richtung der Rückstellkraft F_R wirkende Kraft F_M ist größer als die entgegen der Rückstellkraft F_R auf das Mikroventil 105 wirkende Kraft Fv.
Allgemeiner ausgedrückt kann das Mikroventil 105 bezüglich einer Fluidströmungsrichtung derartig angeordnet sein, dass ein in dieser Fluidströmungsrichtung strömendes Fluid 400 eine Fluiddruckkraft F_M auf die zweite Membran 102 ausübt, wobei diese Fluiddruckkraft F_M zusätzlich zu der Vorspannkraft Fv und in gleicher Richtung wie die Vorspannkraft F_V auf das mit der zweiten Membran 102 gefügte Mikroventil 105 wirkt, wobei die Vorspannkraft Fv und die Fluiddruckkraft F_M Teil der Rückstellkraft F_R sind, die bewirkt, dass das Mikroventil 105 in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal 104 verschließt.
Somit ist die vorliegende erfindungsgemäße Fluidflussregelvorrichtung 100 sowohl in Einlassrichtung als auch in Auslassrichtung normal schließend und selbstsperrend.
In den zuvor mit Bezug auf die 2A bis 3B diskutierten Ausführungsbeispielen war die piezobetätigte erste Membran 101 in einem unbetätigten Zustand von dem sich durch die zweite Membran 102 hindurch erstreckenden Abschnitt 115 des Ventilschafts 117 beabstandet. Beispielsweise kann die piezobetätigte erste Membran 101 mechanisch, in einer Richtung von der zweiten Membran 102 weg, vorgespannt sein, sodass die piezobetätigte erste Membran 101 in einem unbetätigten Zustand von der zweiten Membran 102 beabstandet ist. Dieser Abstand erlaubt größere Fertigungstoleranzen beim Vorspannen der ersten Membran 101 und/oder beim Vorspannen der zweiten Membran 102, führt jedoch zu einem gewissen Leerweg bei Betätigung der Freiflussregelvorrichtung 100 beziehungsweise des Mikroventils 105.
Alternativ dazu wäre es denkbar, dass der sich durch die zweite Membran 102 hindurch erstreckende Abschnitt 115 des Ventilschafts 117 mit der ersten Membran 101 gefügt ist. Das heißt, der Abschnitt 115 könnte fest mit der ersten Membran 101 verbunden sein, vorzugsweise dauerhaft und unlösbar. Hierbei wäre der Leerweg, selbst bei vorgespannter erster Membran 101, nicht vorhanden und das Mikroventil 105 könnte sozusagen Leerweg-frei mittels der piezobetätigten ersten Membran 101 ausgelenkt werden.
5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des Verhaltens der piezobetätigten ersten Membran 101, d.h. die vertikale Auslenkung der ersten Membran 101 in Reaktion auf das Anlegen einer elektrischen Spannung an das Piezoelement 108. Die elektrische Spannung ist an der Abszisse aufgetragen und die vertikale Auslenkung (in z-Richtung) ist an der Ordinate aufgetragen. Das Diagramm zeigt eine typische Aktorkennlinie (vertikale Auslenkung zu elektrischer Spannung an der Piezokeramik) eines normalgeschlossenen Mikroventils 105, das in der erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung 100 einsetzbar ist.
Beim Anlegen einer positiven Spannung wird die erste Membran 101 nach unten, d.h. in Richtung der zweiten Membran 102 (siehe 2A bis 4B) ausgelenkt. Beim Anlegen einer negativen Spannung wird die erste Membran 101 nach oben, d.h. von dem Substrat 110 weg, ausgelenkt. Das Kraft- und Auslenkungsvermögen ist hierbei asymmetrisch. Aufgrund der Piezophysik lässt sich im Gegensatz zur positiven Spannung nur eine relativ niedrige negative Spannung anlegen bevor sich der Piezo um polarisiert.
In dem in 5 abgebildeten Diagramm ist jedoch der oben erwähnte Leerweg zu erkennen. Bei negativen Spannungen wird die erste Membran 101 nach oben, weg vom Mikroventil 105, ausgelenkt und zeigt seine „Kraft-unbelastete“ Kennlinie. Bei positiven Spannungen berührt die erste Membran 101 die zweite Membran 102 (2A und 2B) beziehungsweise den Ventilschaft-Abschnitt 115 (3A und 3B) und öffnet das Mikroventil 105 gegen die rückstellende Vorspannkraft Fv der zweiten Membran 102 nach unten, d.h. in Richtung der zweiten Substratseite 112, was zu einer flacheren Kennlinie führt. Es ist zudem der Leerweg (ca. 3 µm bis 5µm) bis zur Berührung der zweiten Membran 102 bzw. des Ventilschaft-Abschnitts 115 zu erkennen, bevor die Kennlinie abknickt.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann das Mikroventil 105 zwischen zwei Extremwertstellungen, d.h. zwischen einer komplett geöffneten und einer komplett geschlossenen Stellung, bewegt werden. Aufgrund der aktiven Ansteuerung mittels der piezobetätigten ersten Membran 101 kann das Mikroventil 105 darüber hinaus stufenlos zwischen diesen zwei Extremwertstellungen bewegt werden, wodurch der Durchfluss bzw. die Durchflussmenge eines durch das Mikroventil 105 strömenden Fluids ebenfalls stufenlos geregelt werden kann. Das heißt, die erfindungsgemäße Fluidflussregelvorrichtung 100 kann einen Fluidfluss stufenlos regeln.
Das heißt, eine funktionelle Eigenschaft der erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung 100 kann, neben dem reinen Öffnen oder Schließen des Fluidkanals 104, auch die Darstellung eines regelbaren Strömungswiderstands im Sinne eines Proportionalventils sein. Durch Anfahren einer beliebigen Position des Mikroventils 105 zwischen dem offenen und geschlossenen Zustand kann ein entsprechender Arbeitspunkt im Druck-Durchfluss-Diagramm (siehe 6) ausgewählt werden.
6 zeigt ein typisches Druck-Durchfluss-Diagramm eines Mikroventils105 beim Einsatz in einer erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung 100 mit dem Fluid Wasser. Für unterschiedliche Differenzdrücke über das Mikroventil 105 ist der Durchfluss in Abhängigkeit der am Piezoelement 108 angelegten elektrischen Spannung aufgetragen.
Die 7A und 7B zeigen eine beispielhafte Fluidflussregelvorrichtung 200, die lediglich eine einzelne Membran 201 aufweist. 3A zeigt eine erfindungsgemäße Fluidflussregelvorrichtung 200 in einem unbetätigten Zustand und 3B zeigt dieselbe erfindungsgemäße Fluidflussregelvorrichtung 200 in einem betätigten Zustand.
Elemente mit gleicher oder ähnlicher Funktion sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet, weshalb auf eine erneute Beschreibung derselbigen verzichtet wird. Es werden daher nachfolgend lediglich die Unterschiede der in den 7A und 7B gezeigten beispielhaften Fluidflussregelvorrichtung gegenüber der in den 1 bis 4B gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Fluidflussregelvorrichtung beschrieben.
Die in den 7A und 7B gezeigte beispielhafte Fluidflussregelvorrichtung unterscheidet sich dabei insbesondere dahingehend von der erfindungsgemäßen Fluidflussregelvorrichtung nach den 1 bis 4B, dass die hier gezeigte mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung 200 lediglich eine Membran 201 aufweist, die sowohl mechanisch vorgespannt und mit dem Mikroventil 105 gefügt ist, als auch ein Piezoelement 108 aufweist. Das heißt, die Membran 201 wirkt gleichzeitig als Aktormembran sowie als Ventilmembran. Die Membran 201 kann Metall oder einen Halbleiter, zum Beispiel Silizium, aufweisen oder daraus gefertigt sein.
Die in den 7A und 7B abgebildete beispielhafte mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung 200 weist ein Substrat 110 mit einer auf einer ersten Substratseite 111 angeordneten piezobetätigten Membran 201 und einem sich zwischen der ersten Substratseite 111 und einer gegenüberliegenden zweiten Substratseite 112 durch das Substrat 110 hindurch erstreckenden Fluidkanal 104 auf.
Die mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung 200 weist ferner ein Mikroventil 105 mit einem Ventilteller 116 und einem daran angeordneten Ventilschaft 117 auf, wobei der Ventilteller 116 auf der der Membran 201 abgewandten zweiten Substratseite 112 angeordnet ist, und wobei sich der Ventilschaft 117 durch den Fluidkanal 104 hindurch zu der auf der ersten Substratseite 111 angeordneten Membran 201 hin erstreckt. Das heißt, der Ventilschaft 117 ist zumindest abschnittsweise auf der ersten Substratseite 111 angeordnet, und der Ventilteller 116 ist auf der gegenüberliegenden zweiten Substratseite 112 angeordnet. Der Ventilteller 116 kann eine auf der zweiten Substratseite 112 gelegene Fluidkanalöffnung im unbetätigten Zustand verschließen.
In diesem Beispiel ist die piezobetätigte Membran 201 mit dem Mikroventil 105, und genauer gesagt mit dem Ventilschaft 117, gefügt beziehungsweise fest verbunden. Vorzugsweise ist die Membran 201 dauerhaft und unlösbar mit dem Mikroventil 105 bzw. mit dem Ventilschaft 117 verbunden.
Außerdem ist die piezobetätigte Membran 201 mechanisch vorgespannt, und zwar in eine von dem Substrat 110 weg weisende Richtung, sodass sich die Membran 201 in einem unbetätigten Zustand (7A) von dem Substrat 110 weg wölbt und sich optional über die Substratebene L1 hinaus erstreckt. Durch die mechanische Vorspannung wird auch hier wieder eine Vorspannkraft F_V auf das Mikroventil 105 ausgeübt, wobei die Vorspannkraft F_V Teil einer Rückstellkraft F_R ist, die bewirkt, dass der Ventilteller 116 in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal 104 verschließt.
7B zeigt die mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung 200 aus 7A in einem betätigten Zustand. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung, mit einem hier rein beispielhaft gewählten Betrag von + 300 V, lenkt das Piezoelement 108 die Membran 201 nach unten, d.h. in Richtung des Substrats 110 bzw. des Fluidkanals 104, aus. Die Betätigungskraft F_P des Piezoelements 108 wirkt entgegen der Rückstellkraft F_R, die sich zusammensetzen kann aus der Vorspannkraft F_V der Membran sowie einer gegebenenfalls am Mikroventil 105 anliegenden Fluidkraft F_F .
Sofern die Betätigungskraft F_P des Piezoelements 108 betragsmäßig die Rückstellkraft F_R übersteigt, lenkt die Membran 201 das Mikroventil 105 nach unten, d.h. in eine Richtung von dem Fluidkanals 104 weg, aus, sodass sich das Mikroventil 105 von dem Fluidkanal 104 abhebt und den Fluidkanal 104 öffnet bzw. freigibt.
Das heißt, die piezobetätigte Membran 201 kann ausgestaltet sein, um in einem betätigten Zustand in eine Richtung zu dem Fluidkanal 104 hin ausgelenkt zu werden und dabei das Mikroventil 105 entgegen der Rückstellkraft F_R in eine Richtung von dem Fluidkanal 104 weg zu bewegen, sodass das Mikroventil 105 den Fluidkanal 104 freigibt.
Auch in der in den 7A und 7B abgebildeten beispielhaften Fluidflussregelvorrichtung kann die Membran 201 in einer ersten horizontalen Substratebene L1 angeordnet sein, die mit der ersten Hauptoberfläche 121 des Substrats 110 zusammenfallen kann. Das heißt, die Membran 201 kann auf der ersten Substratseite 111 an der ersten Hauptoberfläche 121 des Substrats 110 angeordnet sein.
In der ersten Hauptoberfläche 121 des Substrats 110 kann eine sich in Richtung der zweiten Substratseite 112 hin erstreckende Ausnehmung 106 strukturiert sein, die eine zweite horizontale Substratebene L2 definieren kann. Die Ausnehmung 106 zwischen der Membran 201 auf der ersten Substratebene L1 und dem strukturierten Abschnitt des Substrats 110 auf der zweiten Substratebene L2 kann in diesem Fall auch als eine Fluidkammer bezeichnet werden, in die das Fluid hineinfließt, sofern das Mikroventil 105 als ein Einlassventil ausgestaltet ist, beziehungsweise aus der das Fluid herausfließt, sofern das Mikroventil 105 als ein Auslassventil ausgestaltet ist (vergleiche 4A und 4B).
Stellvertretend für alle hierin beschriebenen Ausführungsformen ist rein beispielhaft in 7B gezeigt, dass auf der zweiten Substratseite 112, beziehungsweise in einer zweiten Hauptoberfläche 122 des Substrats 110, ebenfalls eine Ausnehmung 107 vorgesehen sein kann, die sich in Richtung der ersten Substratseite 111 erstreckt und in der beispielsweise das Mikroventil 105 beziehungsweise der Ventilteller 116 angeordnet sein kann.
Diese Ausnehmung 107 kann beispielsweise in die zweite Hauptoberfläche 122 des Substrats 110 strukturiert sein. Die Tiefe der Ausnehmung 107 kann etwa dem vertikalen Hub des Mikroventils 105 entsprechen, sodass sich das Mikroventil 105 beziehungsweise der Ventilteller 116 auch bei voller Auslenkung immer noch innerhalb der Ausnehmung 107 befindet. Dies bietet einen mechanischen Anschlagschutz für das Mikroventil 105.
Ebenfalls stellvertretend für alle hierin beschriebenen Ausführungsformen ist rein beispielhaft in 7B gezeigt, dass an einer dem Ventilteller 116 zugewandten Öffnung des Fluidkanals 104 ein abdichtender Ventilsitz 109 vorgesehen sein kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen nicht anhaftenden Dichtsitz mit geringerer Loslöskraft handeln, der beispielsweise einen oder mehrere Elastomere aufweisen kann.
In allen Ausführungsformen kann das Mikroventil 105 linear zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegbar sein. Das Mikroventil 105 kann in mindestens zwei Extremwertstellungen gebracht werden, nämlich in eine vollständig geschlossene Position, in der der Fluidkanal 104 möglichst fluiddicht verschlossen ist, sowie in eine vollständig geöffnete Position, in der der Fluidkanal 104 möglichst weit geöffnet ist. In diesem Fall kann die erfindungsgemäße mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung 100, 200 den Fluidfluss zumindest zwischen diesen beiden Stellungen aktiv regeln. Alternativ oder zusätzlich kann das Mikroventil 105 stufenweise in mindestens einer weiteren Stellung oder stufenlos zwischen den beiden Extremwertstellungen (offen/zu) bewegt werden. In diesem Fall kann die erfindungsgemäße mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung 100, 200 den Fluidfluss im Sinne eines Proportionalventils stufenweise oder stufenlos regeln.
Ferner ist es in allen Ausführungsformen denkbar, dass die piezobetätigte Membran 101, 201 ein oder mehrere Belüftungslöcher aufweist. Durch zusätzliche Belüftungslöcher in der piezobetätigten Membran 101, 201 kann ein Druckausgleich von der luftgefüllten Kammer (Ausnehmung 106) zwischen der piezobetätigten Membran 101 und der zweiten Membran 102 gegenüber der Atmosphäre oberhalb der piezobetätigten Membran 101, 201 erreicht werden, der zu einer Stabilisierung der Nulllage des Antriebes für schwankende Umgebungsbedingungen führt.
Außerdem ist es in allen Ausführungsformen denkbar, dass die mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung 100, 200 ausschließlich nichtmagnetische Materialien aufweist. Dies bietet eine MRT-Fähigkeit durch nichtmagnetische Materialien (z.B. Titan) und Aktorprinzipien.
Ferner ist es in allen Ausführungsformen denkbar, dass die piezobetätigte Membran 101, 201 einen vertikalen Hub von 20 µm bis 50 µm aufweist. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die piezobetätigte Membran 101, 201 eine Membrandicke zwischen 25 µm und 150 µm aufweist, und/oder dass die zweite Membran 102 eine Membrandicke zwischen 25 µm und 150 µm aufweist.
Die erfindungsgemäße Fluidflussregelvorrichtung 100, 200 kann beispielsweise auf den folgenden technischen Gebieten Anwendung finden:

Medizintechnik:
- • Implantate
  - ◯ Sphinkter, Penisprothese
- • extrakorporale Medizingeräte:
  - ◯ Medikamentendosierung intravenös, subkutan
Industrie
- • Öldosierung
- • Mikrohydraulik / -pneumatik
- • Absperrventil (Failsafe)

Die Erfindung soll nachfolgend nochmals in anderen Worten zusammengefasst werden:

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrisch angetriebenes, normalschließendes und selbstsperrendes Mikroventil 105 in kleiner und insbesondere flacher Bauform. Das heißt in stromlosen Zustand ist das Ventil 105 geschlossen und der anliegende Fluiddruck F_F wirkt zusätzlich schließkraftverstärkend.

Das Prinzip basiert auf einer Umlenkung der vertikalen Wirkungsrichtung eines Piezo-Membran-Wandlers 101 durch ein Übertragungselement 117 auf einen nicht invertiert gegenüberliegenden Dichtsitz 109, woraus die Möglichkeit entsteht, die Rückstellkraft F_R eines nicht elektrisch aktuierten (d.h. unbetätigten) Piezo-Membran-Wandlers 101 hin zu seiner Nullposition im Kräftegleichgewicht zu nutzen. Diese passive, durch eine Federmembran 102 und ein entsprechendes Vorspannverfahren erreichte Rückstellkraft F_R wird in der neuen Erfindung genutzt, um das Ventil 105 im stromlosen Zustand zu schließen.
Ein Dichtelement (z.B. ein Ventilteller) 116, fest verbunden mit einem Übertragungselement (z.B. ein Ventilschaft) 117, wird durch eine vorgespannte Ventilmembran 102 entsprechend einer Rückstellfeder in Schließrichtung gegen einen Dichtsitz 109 gezogen.
Die Ventilmembran 102 ist mit dem Dichtelement 116 und dem Ventilgrundkörper 105 fluidisch dicht gefügt. In der Ebene L2 über der Ventilmembran 102 ist eine weitere Membran, die Aktormembran 101, auf den Grundkörper 110 gefügt. Auf diese Aktormembran 101 kann z.B. mittels Klebung ein Piezo-Scheibenaktor 108 unter Verwendung einer elektrischen Vorspannungsmontage gemäß US 9 410 641 B2 aufgebracht werden, sodass zwischen Aktormembran 101 und Übertragungselement 117 ein endlicher Restspalt im nicht-bestromten Zustand des Piezoaktors 108 verbleibt.
Im nicht-bestromten Zustand (siehe z.B. 3A) wird somit der Dichtsitz 109 des Ventils 115 durch das Dichtelement 116 verschlossen, was einem normal geschlossenen Zustand entspricht. Zusätzlich wirkt Fluiddruck F_F von der Einlassseite des Ventils 115 auf das Dichtelement 116 als weitere schließende Kraftkomponente.
Im bestromten Zustand, das heißt unter Anlegen einer positiven elektrischen Spannung an der Piezokeramik 108 (siehe z.B. 3B), wird die Aktormembran 101 zum Übertragungselement 117 hin verformt und bewegt dieses vom Dichtsitz 109 weg in öffnende Richtung, wenn die vertikal gegen das Übertragungselement 117 wirkende Kraft F_P des Piezo-Membranwandlers 101 größer als die rückstellenden Kräfte F_R von Ventilmembran 102 und Fluiddruck F_F auf dem Dichtelement 116 ist. Dies kann durch eine angepasste Aktorauslegung auf die Spezifikation des entsprechenden Arbeitsbereiches bewerkstelligt werden.
Eine weitere Ausführungsform des Ventils 115 kann derart aussehen, dass das Übertragungselement 117 dennoch direkt an die Aktormembran 101 verschweißt wird und somit auf den Spalt verzichtet wird.
Lediglich als Beispiel wäre es denkbar, dass (siehe z.B. 7A und 7B) auf die Ventilmembran 102 verzichtet wird und das Übertragungselement 117 über eine Schweiß-/Bondverbindung an die Aktormembran 101 aufgrund der Vorspannung dauerhaft in der geschlossenen Position gehalten wird, solange es stromlos ist.
Wie in den 7A und 7B zu sehen ist, wird das Übertragungselement 117 direkt an die Aktormembran 101 gefügt und, aufgrund der Vorspannung, im stromlosen Zustand geschlossen gehalten. Das Öffnen geschieht wiederum durch Anlegen eines positiven elektrischen Feldes am Piezoaktor 108.
Ausführung des Ventilaufbaus:

• Folienaufbau auf massivem Grundkörper 110
• Piezoaktor 108 als Membranbiegewandler
• Umlenkeinheit / Ventil-Dichtelement 116, 117 in versch. Ausführungen
• Zwischenmembran 102 (auch bezeichnet als Ventilmembran) mit folgendem Zweck:
- ◯ Vorspannung des Übertragungs-/Dichtelementes 116, 117 gegen den Ventilsitz 109
- ◯ Druckausgleich durch geringere wirksame Fläche für Fluiddruck
- ◯ Huboptimierung → Aktor 101 kann unabhängig von Rückstellmembran 102 ausgelegt werden
• Materialien: Metalle, insbesondere Federstahl und Titan, Kunststoffe
• Herstellungsverfahren:
- o Grundkörper 110: spanende Bearbeitung (Drehen, Fräsen), Additive Fertigung
- ◯ Folien: strukturiertes Ätzen
• Fügeverfahren: Kleben, Schweißen (Laser, Widerstandsschweißen, Ultraschall, E-Beam)
• Dichtsitz: hart-hart oder ggf. Weichdichtung

Technische Merkmale:

• Kein Energieverbrauch in geschlossenem Zustand → normal geschlossen
• Flache Bauform: typische Bauhöhe < 5 mm
• Footprint: Kreisförmiger Grundkörper ca. < 25 mm Durchmesser, z.B. 20 mm oder 15 mm
• typische Dicken der Ventil- und Aktormembran 101, 102, 201 sind z.B. 25 µm bis 150 µm
• typische Piezoaktordicken, z.B. 100 µm - 200 µm
• Beidseitig normalschließend (vorwärts- und rückwärts siehe Durchflusskennlinie)
• Selbstsperrend: Fluiddruck wirkt in beiden Richtungen sperrend auf Dichtelement 116 und/oder übersetzt durch Ventilmembran 102 auf das Übertragungselement 117
• geringe Leckrate in geschlossenem Zustand
• geringer Strömungswiderstand in offenem Zustand
• kurze Schaltzeiten durch Piezoaktorik: von geschlossen nach offen in t < 5 ms
• MRT-Fähigkeit durch nichtmagnetische Materialien(Titan) und Aktorprinzipien
• Exemplarische Aktorauslegung der Piezo-Membran-Aktorik:
- ◯ Vertikaler Hub in öffnende Richtung bei pos. Spannung (d.h. nach unten): 20 µm bis 50 µm
- ◯ Aktorkraft/Blockierdruck 30 kPa bis 100 kPa
• Druckausgleich: Durch Belüftungslöcher in der Aktormembran 101 bleibt diese bei Schwankungen des Umgebungsdruckes stabil in der ursprünglichen Nulllage

Kein Energieverbrauch in geschlossenem Zustand bei kleiner Baugröße und nichtmagnetische Materialien ermöglichen den Einsatz in aktiven Implantaten. Hierfür ist bisher keine technische Lösung bekannt.

(+++) Kein Energieverbrauch in geschlossenem Zustand
(+++) Beidseitig normalschließend
(+++) selbstsperrende Funktion
(+++) MRT-Fähigkeit durch nichtmagnetische Materialien(Titan) und Aktorprinzipien
(++) Flache Bauform (Bauhöhe <5mm)
(++) Kurze Schaltzeiten (wenige Millisekunden)
(+) Geringe Leckrate in geschlossenem Zustand
(+) geringer Strömungswiderstand in offenem Zustand (hohe Durchflussrate)

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) aufweisend: ein Substrat (110) mit einer auf einer ersten Substratseite (111) angeordneten piezobetätigten ersten Membran (101) und einem sich zwischen der ersten Substratseite (111) und einer gegenüberliegenden zweiten Substratseite (112) durch das Substrat (110) hindurch erstreckenden Fluidkanal (104), ein sich durch den Fluidkanal (104) hindurch erstreckendes Mikroventil (105), das ausgestaltet ist, um den Fluidkanal (104) in einem unbetätigten Zustand zu verschließen, wobei das Mikroventil (105) einen Ventilteller (116) und einen daran angeordneten Ventilschaft (117) aufweist, wobei der Ventilteller (116) auf der zweiten Substratseite (112) angeordnet ist, und wobei sich der Ventilschaft (117) durch den Fluidkanal (104) hindurch zu der ersten Substratseite (111) hin erstreckt, und eine auf der ersten Substratseite (111) und von der ersten Membran (101) beabstandet angeordnete zweite Membran (102), die zwischen dem Fluidkanal (104) und der ersten piezobetätigten Membran (101) angeordnet ist, wobei die zweite Membran (102) mit dem Mikroventil (105) gefügt und mechanisch in Richtung der ersten Membran (101) vorgespannt ist, sodass eine Vorspannkraft (F_V) auf das Mikroventil (105) ausgeübt wird, wobei die Vorspannkraft (F_V) Teil einer Rückstellkraft (F_R) ist, die bewirkt, dass das Mikroventil (105) in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal (104) verschließt.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Mikroventil (105) bezüglich einer Fluidströmungsrichtung derartig angeordnet ist, dass ein in dieser Fluidströmungsrichtung strömendes Fluid (400) eine Fluiddruckkraft (F_F) auf das Mikroventil (105) ausübt, wobei die Fluiddruckkraft (F_F) zusätzlich zu der Vorspannkraft (F_V) auf das Mikroventil (105) wirkt, wobei die Vorspannkraft (F_V) und die Fluiddruckkraft (F_F) Teil der Rückstellkraft (F_R) sind, die bewirkt, dass das Mikroventil (105) in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal (104) verschließt.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Mikroventil (105) bezüglich einer Fluidströmungsrichtung derartig angeordnet ist, dass ein in dieser Fluidströmungsrichtung strömendes Fluid (400) eine Fluiddruckkraft (F_M) auf die zweite Membran (102) ausübt, wobei diese Fluiddruckkraft (F_M) zusätzlich zu der Vorspannkraft (Fv) auf das mit der zweiten Membran (102) gefügte Mikroventil (105) wirkt, wobei die Vorspannkraft (F_V) und die Fluiddruckkraft (F_M) Teil der Rückstellkraft (F_R) sind, die bewirkt, dass das Mikroventil (105) in einem unbetätigten Zustand den Fluidkanal (104) verschließt.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezobetätigte erste Membran (101) ausgestaltet ist, um in einem betätigten Zustand in eine Richtung zu der zweiten Membran (102) hin ausgelenkt zu werden und dabei das Mikroventil (105) entgegen der Rückstellkraft (F_R) zu bewegen, sodass das Mikroventil (105) den Fluidkanal (104) freigibt.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei die piezobetätigte erste Membran (101) ausgestaltet ist, um in einem betätigten Zustand unmittelbar mit der zweiten Membran (102) in Kontakt zu kommen und diese auszulenken, um das damit gefügte Mikroventil (102) entgegen der Rückstellkraft (F_R) zu bewegen.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich ein Abschnitt (115) des Ventilschafts (117) durch die zweite Membran (102) hindurch erstreckt, sodass dieser Abschnitt (115) zwischen der ersten Membran (101) und der zweiten Membran (102) angeordnet ist, und wobei die piezobetätigte erste Membran (101) ausgestaltet ist, um in einem betätigten Zustand mit diesem Abschnitt (115) in Kontakt zu kommen und den Ventilschaft (117) hierüber entgegen der Rückstellkraft (F_R) zu bewegen.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei die piezobetätigte erste Membran (101) in einem unbetätigten Zustand von dem sich durch die zweite Membran (102) hindurch erstreckenden Abschnitt (115) des Ventilschafts (117) beabstandet ist.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei der sich durch die zweite Membran (102) hindurch erstreckende Abschnitt (115) des Ventilschafts (117) mit der ersten Membran (101) gefügt ist.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezobetätigte erste Membran (101) mechanisch, in einer Richtung von der zweiten Membran (102) weg, vorgespannt ist, sodass die piezobetätigte erste Membran (101) in einem unbetätigten Zustand von der zweiten Membran (102) beabstandet ist.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezobetätigte erste Membran (101) ein oder mehrere Belüftungslöcher aufweist.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) ausschließlich nichtmagnetische Materialien aufweist.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezobetätigte erste Membran (101) einen Hub von 20 µm bis 50 µm aufweist.
Mikrostrukturierte Fluidflussregelvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezobetätigte erste Membran (101) eine Membrandicke zwischen 25 µm und 150 µm aufweist, und/oder wobei die zweite Membran (102) eine Membrandicke zwischen 25 µm und 150 µm aufweist.