DE19522806A1 - Mikromembranventil und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikromembranventil nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 und Verfahren zu dessen Herstel­ lung.

Chemische Analyseautomaten für kleine Flüssigkeits- oder Gas­ mengen müssen mit aktiven Ventilen ausgestattet sein, die nur sehr geringe Totvolumina aufweisen und mit verhältnismäßig ge­ ringem Aufwand hergestellt werden können. Aus dem US-Patent 4,824,073 ist ein Ventil bekannt, bei dem eine Membran eine Öffnung im Ventilsitz verschließt bzw. freigibt. Die Membran wird dabei durch den Druckanstieg bewegt, der beim Verdampfen einer Flüssigkeit entsteht.

Nachteilig bei diesem Ventil ist, daß die Temperatur in der Antriebskammer ständig aufrecht erhalten werden muß, damit das Ventil geschlossen bleibt.

In dem Beitrag "A New Bistable Microvalve Using an SiO₂ Beam as the Movable Part" von J.H. Babaei, R.-S. Huang und Ch.Y. Kwok in den Proceedings der 4^th International Conference on New Actuators, Actuator ′94, die vom 15. bis 17. 6. 1994 in Bre­ men stattfand, ist auf den Seiten 34 bis 37 ein Mikroventil beschrieben, das von einem Balken aus Siliziumdioxid gebildet wird, der eine Öffnung freigibt bzw. verschließt. Der Balken steht fertigungsbedingt unter einer Druckspannung, so daß er sich entweder nach oben oder nach unten ausbeult. Auf diese Weise wird erreicht, daß weder für das Offenhalten noch für das Geschlossenhalten des Ventils gegen einen Druck an seinem Eingang Energie aufgewandt werden muß. Der Balken wird durch das Anlegen von elektrischen Spannungen zwischen dem Balken und dem Ventilsitz von einer Schaltposition in die andere be­ wegt.

Nachteilig bei diesem Ventiltyp ist, daß der Balken mit Hilfe von elektrostatischen Kräften bewegt wird, die nur einen rela­ tiv geringen Abstand zwischen Ventilsitz und Ventilkörper überbrücken können. Deshalb ist die maximal erreichbare Öff­ nung des Ventils eingeschränkt und der Strömungswiderstand des geöffneten Ventils läßt sich nicht ohne weiteres vermindern.

Nachteilig bei beiden oben beschriebenen Ventiltypen ist, daß sie aus einkristallinem Silizium hergestellt werden müssen, dessen Herstellungsaufwand relativ hoch ist.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Mikromembranventil der gat­ tungsgemäßen Art und Verfahren zu dessen Herstellung derart auszugestalten, daß Mikroventile mit einem einfachen Verfahren erzeugt werden können und daß größere Schaltwege für die Ven­ tilmembran möglich werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 7 und 8 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Aus­ gestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von den Fig. 1 bis 4 und von 2 Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren schematisch einzelne Verfahrensschritte bzw. ein fertiges Mikromembranventil im geschlossenen und im geöffneten Zustand.

Das erste Anwendungsbeispiel beschreibt ein Mikroventil und dessen Herstellung durch die Verklebung des Ventilgehäuses und einer Membran.

Ein durch Warmumformung gefertigtes Ventilgehäuse 1 aus Poly­ methylmetacrylat (PMMA) mit Öffnungen für den Einlaß 3 und den Auslaß 4 des Ventils wurde auf eine Schicht 2 aus Polyimid (PI) aufgeklebt, so daß eine vom Gehäuse 1 gehaltene Membran 2 und eine zwischen Gehäuse 1 und Membran 2 liegende Ventilkam­ mer 10 entstand (vgl. Fig. 1). Vor der Verklebung wurde auf der Polyimidschicht 2 ein kreisförmiges Siliconscheibchen 11 mit einer Dicke von 30 µm und einem Durchmesser von 1,5 mm aufgebracht, das später für eine verbesserte Dichtung des Ven­ tils sorgte. Das Ventilgehäuse 1 war kreisförmig mit einem Durchmesser der Ventilkammer von 3,3 mm und einer Tiefe der Ventilkammer von 125 µm. Die Gesamthöhe des Ventilgehäuses be­ trug 1 mm, während die Dicke der Polyimidmembran 2 ca. 25 µm betrug. Die Verklebung der beiden Teile 1 und 2 erfolgte bei einer Temperatur von 90°C. Bei der anschließenden Abkühlung auf Raumtemperatur schrumpften Ventilgehäuse 1 und Polyimid­ membran 2 unterschiedlich stark, weil die thermische Dehnung des PMMA etwa 70 · 10^-6/K und diejenige des PI nur ca. 50 · 10^-6/K beträgt. Dieser Unterschied in der thermischen Dehnung führte zu einer Druckspannung in der Polyimidmembran 2 und zu einer Auswölbung aus der Mittellage (vgl. Fig. 1). Die hier beschriebene Auswölbung der Polyimidmembran 2 wurde noch we­ sentlich verstärkt durch den Schrumpf, den das Ventilgehäuse 1 aufgrund des Abbaus von inneren Spannungen ausführte, die wäh­ rend der Warmumformung aufgetreten waren. Teile, die durch Ab­ formverfahren wie Warmumformung oder Spritzguß gefertigt wer­ den, weisen im allgemeinen mechanische Spannungen auf, die sich bei einer Erwärmung bis in die Nähe ihrer Glasübergangs­ temperatur wieder abbauen. Der Abbau dieser Spannungen führt zu einer nachträglichen Schrumpfung der Werkstücke. Weil bei der Verklebung Temperaturen in der Nähe der Glasübergangstem­ peratur des PMMA von ca. 106°C auftraten, schrumpfte das Ven­ tilgehäuse 1 und erhöhte damit die Druckspannung und die Aus­ wölbung der Polyimidmembran 2. Die Druckspannung in der Polyi­ midmembran und deren Auswölbung wurden darüber hinaus ver­ stärkt durch einen Anpreßdruck, der während der Verklebung auf die beiden Teile aufgebracht wurde. Dieser Anpreßdruck dehnte und vergrößerte damit das Gehäuse 1, indem er eine mechanische Spannung in ihm erzeugte. Nach der Verklebung wurde der An­ preßdruck von den Teilen genommen, so daß sich die mecha­ nischen Spannungen im Gehäuse 1 abbauten, wobei die durch den Anpreßdruck erzeugte Verformung teilweise wieder zurückging und in der Polyimidmembran 2 die Druckspannung und Auswölbung verstärkte.

Im hier beschriebenen Anwendungsbeispiel wurden drei Effekte zur Erzeugung einer Druckspannung und einer damit verbundenen Auswölbung der Membran 2 gleichzeitig genutzt. Für das Errei­ chen einer Druckspannung und Auswölbung reicht aber im Prinzip die Nutzung eines der drei Effekte, unterschiedliche thermi­ sche Dehnung von Gehäuse 1 und Membran 2, Schrumpf des Gehäu­ ses 1 durch eine Temperaturbehandlung und Erzeugen einer me­ chanischen Verspannung durch einen Anpreßdruck, aus. Durch die gleichzeitige Anwendung mehrerer Effekte wird allerdings die erreichte Druckspannung und Auswölbung der Membran 2 erhöht. Die mechanische Verspannung kann statt durch einen geeignet aufgebrachten Anpreßdruck auch auf andere Weise erreicht wer­ den. Im Prinzip ist jedes Verfahren geeignet, das dazu führt, daß die Breite der Öffnung im Gehäuse 1, über der die Membran 2 angebracht wird, nach Abschluß des Herstellungsverfahrens kleiner ist als die kürzeste Verbindungslinie auf der Oberflä­ che der Membran 2, die diese Breite überspannt.

Das Siliconscheibchen 11 sorgte nicht nur für eine bessere Ab­ dichtung des Ventileinlasses sondern versteifte darüber hinaus die Membran 2. Durch diese Versteifung wurde die beim Herstel­ lungsprozeß in der Membran 2 erzeugte Druckspannung noch wei­ ter erhöht, weil die vom Gehäuse 1 ausgeführte Schrumpfung auf einen kleineren Teil der Membran 2 konzentriert wurde. Dies hat den Vorteil, daß die Membran 2 und die Versteifung 11 mit einer größeren Kraft gegen den Ventileinlaß 3 gedrückt werden. Dieser Effekt läßt sich dadurch weiter verstärken, daß die Versteifung 11 aus einem Material mit einem möglichst großen Elastizitätsmodul gefertigt wird.

Um eine Dichtung zum Einlaß 3 zu erhalten, ist es auch mög­ lich, anstelle oder zusätzlich zum Siliconscheibchen 11 eine Dichtung am Gehäuse 1 anzubringen. Diese Dichtung kann bei­ spielsweise von einem Ring gebildet werden, der den Einlaß 3 umgibt und an dem die Membran 2 im geschlossenen Zustand dem Ventils anliegt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wurde ein weiteres Teil 5 aus PMMA auf die Polyimidmembran 2 aufgeklebt, das eine Öffnung 6 auf­ wies, so daß über der Polyimidmembran 2 eine Antriebskammer 9 gebildet wurde. Dem Einlaß 3 des Ventils wurde über eine Druckflasche Stickstoff mit einem Druck von 470 hPa zugeführt. Die Stellung der Polyimidmembran 2 veränderte sich dabei nicht und hielt das Ventil gegen diesen Druck geschlossen. Ein Un­ terdruck von 130 hPa, der an der Öffnung 6 angelegt wurde, brachte die Polyimidmembran 2 in die in Fig. 3 dargestellte Lage und öffnete damit das Ventil, so daß der Stickstoff am Auslaß 4 ausströmte. Wenn der Unterdruck an der Öffnung 6 wie­ der aufgehoben wurde, änderte sich nichts an der Lage der Po­ lyimidmembran 2 und das Ventil blieb weiterhin geöffnet. Durch das Anlegen eines Überdrucks von 250 hPa an Öffnung 6 wurde das Ventil gegen den Druck am Einlaß 3 von 470 hPa wieder ge­ schlossen und die Polyimidmembran 2 nahm wieder die in Fig. 2 dargestellte Lage ein. Das Ventil blieb auch nach Entfernen des Überdruckes an der Öffnung 6 geschlossen.

Das Ventil konnte mit einem Überdruck an der Öffnung 6 gegen den größeren Druck am Einlaß 3 geschlossen werden, weil der Überdruck in der Antriebskammer 9 auf die gesamte Membranflä­ che wirkt, während der Druck am Einlaß 3 über eine relativ schmale Öffnung zugeführt und über den Auslaß 4 abgebaut wurde. Die durch den Druck in der Antriebskammer 9 auf die Membran 2 wirkende Kraft ist deshalb größer als die über den Einlaß 3 eingebrachte Kraft. Die in der Membran 2 wirkende me­ chanische Druckspannung hält das Ventil auch gegen einen Ge­ gendruck geschlossen. Der Druck in der Ventilkammer 10 kann dadurch gering gehalten werden, daß der Ventilauslaß 4 einen größeren Querschnitt aufweist als der Einlaß 3.

Damit das hier beschriebene Ventil gegen einen Druck am Einlaß 3 geschlossen bleibt, muß in der Membran 2 mit einem genügend großen Andruck gegen den Einlaß 3 gedrückt werden. Beim hier beschriebenen Beispiel betrug die Auslenkung der unbelasteten Membran 120 µm, wenn sie nicht durch den Boden des Hohlraums 10 eingeschränkt wurde. Durch den Boden des Hohlraumes 10 wurde die Auslenkung der Membran auf 95 µm beschränkt und da­ durch ein Anpreßdruck auf den Einlaß 3 erreicht. Die Dicke der Membran 2 muß für ein funktionierendes Ventil im Verhältnis zum Durchmesser, Elastizitätsmodul und zur Druckspannung in der Membran geeignet gewählt werden. Eine zu dicke Membran würde dazu führen, daß die Biegemomente die Auswölbung und da­ mit den Anpreßdruck gegen den Einlaß 3 vermindern. Eine zu dünne Membran würde von dem am Einlaß 3 anliegenden Druck ver­ formt und den Einlaß deshalb mindestens teilweise freigeben. Im vorliegenden Beispiel wurde eine 25 µm dicke Polyimidmem­ bran mit einem Elastizitätsmodul von ca. 2,5 GPa und einem Durchmesser von 3,3 mm verwendet. Bei der Verwendung anderer Materialien und Membranwölbungen können andere Membrandicken und Durchmesser günstiger geeignet sein.

Im nächsten Anwendungsbeispiel wird beschrieben, wie das Ven­ til mit einem integrierten Antrieb versehen werden kann.

Auf einer Polyimidmembran 2 werden mit bekannten Methoden der Dünnfilmtechnik und Fotolithografie Leiterbahnen 7 aus Gold angebracht und Öffnungen 8 in die Membran eingebracht. Mit Ab­ formverfahren gefertigte Antriebsgehäuse 5 aus PMMA werden re­ lativ zu den Leiterbahnen 7 und Öffnungen 8 justiert mit der Membran verklebt und einer Temperaturbehandlung unterzogen, die zum Schrumpfen des Antriebsgehäuses 5 und zur Erzeugung einer mechanischen Druckspannung in der Membran 2 und zu deren Ausbeulung führen. Auf der Polyimidmembran 2 wird ein Ventil­ gehäuse 1 mit Öffnungen für den Einlaß 3 und für den Auslaß 4 aufgeklebt. Das fertige Ventil ist in Fig. 4 schematisch dar­ gestellt.

Durch einen elektrischen Strom, der über Kontaktflächen 7a durch die Leiterbahn 7 geleitet wird, wird die Leiterbahn auf Temperaturen von ca. 300°C und mit ihr die Luft in der An­ triebskammer 9 erwärmt. Über die Öffnungen 8 wird dabei sichergestellt, daß auf beiden Seiten der Membran 2 der glei­ che Druck herrscht. Zum Öffnen des Ventils wird dann der elek­ trische Strom durch die Leiterbahn 7 abgestellt. Das kleine Luftvolumen in der Antriebskammer 9 kühlt schnell ab und durch die damit verbundene Kontraktion der Luft entsteht ein Unter­ druck in der Antriebskammer 9. Die Größe der Öffnung 8 wird so gewählt, daß nur ein allmählicher Druckausgleich stattfindet und die Membran 2 durch den Unterdruck in die Antriebskammer 9 hinein gezogen und das Ventil geöffnet wird. Nach dem Öffnen des Ventils stellt sich über die Öffnungen 8 ein allmählicher Druckausgleich zwischen der Ventilkammer 10 und der Antriebs­ kammer 9 des Ventils ein.

Zum Schließen des Ventils wird ein Strom durch die Leiterbahn 7 eingeschaltet, so daß sich die Temperatur des Mediums in der Antriebskammer 9 schlagartig erhöht. Der schnelle Druckanstieg in der Antriebskammer 9 führt zur Auslenkung der Membran 2 aus der Antriebskammer 9 heraus und in die Ventilkammer 10 hinein. Dadurch wird der Ventileinlaß 3 verschlossen. Nach dem Schließen des Ventils wird der Strom durch die Leiterbahn 7 allmählich wieder reduziert, so daß es zu einem langsamen Tem­ peraturrückgang in der Antriebskammer 9 kommt. Der Strom wird so langsam reduziert, daß sich die Druckdifferenz zwischen Ventilkammer 10 und Antriebskammer 9 über die Öffnungen 8 ab­ baut und so ein Unterdruck in der Antriebskammer 9 im Verhält­ nis zur Ventilkammer 10 vermieden wird, der zum Abheben der Membran 2 von der Öffnung 3 führen würde.

Statt über die Öffnungen 8 kann auch auf eine andere Art für einen allmählichen Druckausgleich zwischen Ventilkammer 10 und Antriebskammer 9 gesorgt werden. So wäre es z. B. möglich, einen Kanal über die Teile 1 und 5 auszubilden. Für viele Anwendungen ist es auch möglich, so wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, eine Öffnung 6 nach außen vorzusehen. Ein Druckaus­ gleich zwischen der Antriebskammer 9 und der Ventilkammer 10 hat jedoch den Vorteil, daß sich das Ventil auch dann noch schließen läßt, wenn am Ventilausgang 4 ein Gegendruck an­ liegt.

Statt durch eine Leiterbahn 7, die direkt auf der Membran 2 angebracht ist, kann das Medium in der Antriebskammer 9 auch auf andere Weise erwärmt werden. Eine Erwärmung, die von einer anderen Stelle in der Antriebskammer 9 ausgeht, hätte den Vor­ teil, daß eine Erwärmung des Mediums in der Ventilkammer 10 vermieden wird.

In den Fig. 1 bis 4 wurde der Übersichtlichkeit halber im­ mer nur ein Ventil gezeigt. Es ist aber möglich, auf einem Werkstück viele Ventile nebeneinander herzustellen. Dabei kön­ nen die Ventile nach ihrer Fertigstellung entweder vereinzelt werden, damit sie einzeln eingesetzt werden können, oder es werden Verbindungskanäle vorgesehen, so daß ein ganzes System von Ventilen entsteht, mit dem sich Medien oder Drücke von mehreren Eingängen auf mehrere Ausgänge schalten lassen.

Claims (11)

1. Mikromembranventil bestehend aus einer Ventilkammer und ei­ ner Antriebskammer, wobei die Ventilkammer aus einem Ven­ tilgehäuse mit Einlaß und Auslaß und einer Membran besteht, welche entlang ihres Randes dichtend mit dem Ventilgehäuse verbunden ist, und wobei die Antriebskammer auf der der Ventilkammer gegenüberliegenden Seite der Membran ange­ bracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) unter einer mechanischen Druckspannung steht und zwei stabile Zustände einnehmen kann, wobei in einem dieser Zustände die Membran (2) den Einlaß (3) ver­ schließt.

2. Mikromembranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebskammer eine Öffnung (6) aufweist.

3. Mikromembranventil nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch Mittel zum Druckausgleich zwischen Ventilkammer (10) und Antriebskammer (9).

4. Mikromembranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gekenn­ zeichnet durch eine Heizvorrichtung (7) in der Antriebs­ kammer (9).

5. Mikromembranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (7) auf der Membran (2) angebracht ist.

6. Mikromembranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der Membran (2) eine Verstei­ fung (11) angebracht ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Mikromembranventils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Ventilkörper (1) und die Membran (2) separat aus Ma­ terialien mit unterschiedlicher thermischer Dehnung ge­ fertigt werden und
• b) Ventilkörper (1) und Membran (2) bei erhöhter Temperatur miteinander verbunden werden.

8. Verfahren zur Herstellung eines Mikromembranventils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Ventilkörper (1) und die Membran (2) separat gefer­ tigt werden, wobei der Ventilkörper aus einem Material besteht, das nach Erwärmung und nachfolgender Abkühlung eine Schrumpfung gegenüber dem Ausgangszustand aufweist,
• b) Ventilkörper (1) und Membran (2) miteinander verbunden werden, und
• c) durch eine Temperaturbehandlung eine Schrumpfung des Ventilkörpers (1) ausgelöst wird, die zur Erzeugung ei­ ner mechanischen Druckspannung in der Membran (2) führt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verbindung von Ventilkörper (1) und Membran (2), mindestens eines der beiden Teile so mechanisch ver­ spannt wird, daß der Ventilkörper (1) gedehnt oder die Mem­ bran (2) gestaucht wird.

10. Verfahren zur Betätigung eines Ventils gemäß einem der An­ sprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) zum Schließen des Ventils in der Antriebskammer (9) ein schneller Druckanstieg gefolgt von einem langsamen Druckabfall erzeugt wird und
• b) zum Öffnen des Ventils in der Antriebskammer (9) ein schneller Druckabfall gefolgt von einem langsamen Druck­ anstieg erzeugt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckanstieg bzw. Druckabfall durch das gezielte Erwär­ men bzw. Abkühlen eines Mediums in der Antriebskammer (9) erreicht wird.