DE19727552C2

DE19727552C2 - Multi-layer microvalve arrangement

Info

Publication number: DE19727552C2
Application number: DE1997127552
Authority: DE
Inventors: Kurt Stoll; Silke Hoyler; Michael Weinmann; Herbert Vollmer; Andreas Muth; Peter Post
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 1997-06-28
Filing date: 1997-06-28
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2017-06-29
Also published as: DE19727552A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikroventilanordnung in Mehr schichtaufbau, mit einer zusammenhängenden Steuerschicht, die zur Bildung mehrerer über jeweils eine 2/2-Schaltfunktion verfügender Ventileinheiten über mehrere in der Schichtebene nebeneinander angeordnete, mikromechanisch strukturierte Ven tilglieder verfügt, denen jeweils wenigstens eine zu steuern de Fluiddurchtrittsöffnung gegenüberliegt, wobei die Fluid durchtrittsöffnungen durch mikromechanische Strukturierung in wenigstens einer die Steuerschicht flankierenden Basisschicht ausgebildet sind.The invention relates to a microvalve arrangement in more layer structure, with a coherent control layer, the to form several via a 2/2 switching function valve units with several in the layer level juxtaposed, micromechanically structured Ven tilglieder has to control at least one each de fluid passage opening is opposite, the fluid through openings through micromechanical structuring in at least one base layer flanking the control layer are trained.

Eine derartige Mikroventilanordnung wird in der DE 42 21 089 A1 anhand der dortigen Fig. 10 beschrieben. Es handelt sich bei ihr um eine aus mehreren Mikroventilen zusammengesetzte Baueinheit, wobei jedes Mikroventil eine Ventileinheit mit einer 2/2-Schaltfunktion darstellt. Die Ventilglieder sämtli cher Ventileinheiten sind Bestandteil einer gemeinsamen Steu erschicht und liegen einer durch sie steuerbaren Fluiddurch trittsöffnung einer Basisschicht gegenüber. Im Betrieb ist durch eine bei Bedarf voneinander unabhängige Betätigung der einzelnen Ventileinheiten eine Steuerung der durch die ein zelnen Fluiddurchtrittsöffnungen hindurchtretenden Fluidströ mung möglich, beispielsweise auch dahingehend, daß der Volu menstrom des hindurchtretenden Druckmediums in Stufen ge schaltet wird. Auf diese Weise ist eine sich am jeweiligen Einsatzzweck orientierende variable Vorgabe von Durchflußwer ten möglich.Such a microvalve arrangement is described in DE 42 21 089 A1 with reference to FIG. 10 there. It is a unit composed of several microvalves, each microvalve representing a valve unit with a 2/2 switching function. The valve members of all valve units are part of a common control layer and are opposite to a controllable fluid passage opening of a base layer. In operation, a mutually independent actuation of the individual valve units enables control of the fluid flow through the individual fluid passage openings, for example also in that the volume flow of the pressure medium passing through is switched in stages. In this way, a variable specification of flow values based on the respective application is possible.

Im Zuge der sich ständig erweiternden Einsatzmöglichkeiten für Mikroventile besteht das Bedürfnis, komplexere Schalt funktionen zur Verfügung zu stellen. Deren Realisierung be reitet aufgrund der äußerst geringen Abmessungen der Ventil bestandteile und der beschränkten Einsatzmöglichkeit mechani scher Bearbeitungsmaßnahmen allerdings nicht unerhebliche Probleme. So macht beispielsweise die EP 0 485 739 B1 sehr deutlich, daß bereits die Realisierung eines Mikroventils mit 3/2-Schaltfunktion mit nicht geringem technologischem Aufwand verbunden ist.In the course of the constantly expanding application possibilities for micro valves there is a need for more complex switching to provide functions. Their realization be rides due to the extremely small dimensions of the valve components and the limited use mechani processing measures, however, not insignificant Problems. For example, EP 0 485 739 B1 does a lot clearly that the implementation of a microvalve with 3/2 switching function with not little technological effort connected is.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mi kroventilanordnung zu schaffen, die ohne großen Aufwand auch die Realisierung von über 2/2-Schaltfunktionen hinausgehenden höherwertigen Schaltfunktionen erlaubt.It is therefore an object of the present invention to provide a Mi to create kroventilanordnung that without much effort too the implementation of 2/2 switching functions higher-quality switching functions allowed.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den Oberbe griffsmerkmalen des Patentanspruches 1 vorgesehen, daß die Fluiddurchtrittsöffnungen der eine 2/2-Schaltfunktion aufwei senden Ventileinheiten über mikromechanisch strukturierte Fluidkanäle wenigstens teilweise derart verbunden sind, daß durch entsprechend abgestimmte Betätigung der Ventileinheiten wenigstens eine höherwertige x/y-Schaltfunktion realisierbar ist, wobei "x" größer oder gleich "3" und "Y" größer oder gleich "2" ist. To solve this problem is in connection with the Oberbe handle features of claim 1 provided that the Fluid passage openings of a 2/2 switching function send valve units via micromechanically structured Fluid channels are at least partially connected in such a way that by appropriately coordinated actuation of the valve units at least one high-quality x / y switching function can be implemented where "x" is greater than or equal to "3" and "Y" is greater than or is equal to "2".

Somit ergibt sich eine Mikroventilanordnung, in der weiterhin eine Mehrzahl von eine 2/2-Schaltfunktion aufweisenden Ven tileinheiten zusammengefaßt ist, wobei aber eine hohe Flexi bilität in Bezug auf die realisierbare Funktionalität vor liegt, da auf Basis einfachst herstellbarer Ventileinheiten sehr variabel höherwertige Ventilfunktionen bereitgestellt werden können. Ungeachtet der jeweils realisierten Ventil funktion kann somit der konstruktive Aufwand auf niedrigem Niveau gehalten werden, wobei sich bei Bedarf eine sehr fle xible Serienfertigung von Mikroventilanordnungen unterschied lichster Typen realisieren läßt, deren Wirkungsweise durch die Art und Weise der abgestimmten Betätigung der Ventilein heiten vorgegeben werden kann.This results in a microvalve arrangement in which continues a plurality of Ven having a 2/2 switching function til units is summarized, but with a high flexi bility in terms of the feasible functionality lies there, based on the easiest to manufacture valve units very variable high-quality valve functions provided can be. Regardless of the valve implemented in each case The design effort can thus function at a low level Level are maintained, whereby a very fle Differential series production of micro valve arrangements can realize the most basic types, their mode of operation through the way in which the valves are actuated in a coordinated manner units can be specified.

Zwar geht aus der WO 92/20942 eine Steuerventilanordnung her vor, die zwei Ventileinheiten aufweist, deren Ventilglieder in einer gemeinsamen Steuerschicht ausgeführt sind, wobei je dem Ventilglied eine zu steuernde Fluiddurchtrittsöffnung ge genüberliegt. Die Verschaltung der Fluidkanäle ist allerdings so getroffen, daß insgesamt nur der Durchgang zwischen zwei Anschlüssen gesteuert werden kann, wobei die Ventileinheiten nicht im Sinne einer übergeordneten Ventilfunktion zusammen arbeiten.A control valve arrangement emerges from WO 92/20942 before, which has two valve units, the valve members are carried out in a common control layer, with each the valve member has a fluid passage opening to be controlled opposite. The interconnection of the fluid channels is, however so that in total only the passage between two Connections can be controlled, the valve units not in the sense of a superordinate valve function work.

Mikroventile mit einer höherwertigen Schaltfunktion zeigen neben der EP 0 485 739 B1 beispielsweise auch die ältere deutsche Patentanmeldung DE 196 37 928 A1 und die US 5,178,190. Wiederum fehlt aber die Verknüpfung standardisier ter Komponenten, so daß die mit der erfindungsgemäßen Lösung erhaltene Flexibilität bei der Verwirklichung höherwertiger Schaltfunktionen nicht gegeben ist.Show micro valves with a higher-quality switching function in addition to EP 0 485 739 B1, for example, the older one German patent application DE 196 37 928 A1 and the US 5,178,190. Again, however, there is no standardized link ter components, so that with the solution according to the invention flexibility obtained in realizing higher quality Switching functions are not given.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Un teransprüchen hervor.Advantageous developments of the invention go from the Un claims.

Sind sämtliche Fluiddurchtrittsöffnungen in einer gemeinsamen zusammenhängenden Basisschicht ausgebildet, läßt sich eine Mehrzahl von 2/2-Ventileinheiten sehr einfach realisieren. In diesem Falle könnte auf eine auf der entgegengesetzten Seite der Steuerschicht angeordnete zweite Basisschicht verzichtet werden oder es könnte eine auf der entgegengesetzten Seite der Steuerschicht liegende Basisschicht als Öffnungslose ein fache Deckschicht ausgebildet sein. Es wäre aber durchaus denkbar, eine zweite Basisschicht vorzusehen, in der eben falls eine oder mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen ausgebildet sind, um beispielsweise zumindest teilweise als 3/2-Ventile arbeitende Ventileinheiten zu erhalten.Are all fluid passage openings in a common one coherent base layer can be formed Realize a large number of 2/2 valve units very easily. In this case could be on the opposite side the second base layer arranged in the control layer is dispensed with or it could be one on the opposite side the control layer lying base layer as an opening lot fold cover layer. But it would be conceivable to provide a second base layer in which if one or more fluid passage openings are formed are, for example, at least partially as 3/2-way valves to get working valve units.

Die zur Auslösung der Schaltvorgänge der Ventileinheiten be nötigten Aktuatoren befinden sich zweckmäßigerweise auf le diglich einer Seite des jeweils zugeordneten Ventilgliedes, das seinerseits durch elastische Vorspannung in eine Grund stellung vorgespannt sein kann. Auf diese Weise können sehr einfach sogenannte Öffner (normalerweise geschlossene Ven tileinheit) oder sogenannte Schließer (normalerweise geöffne te Ventileinheit) verwirklicht werden. Aus der Verknüpfung eines Öffners und eines Schließers, die jeweils über eine 2/2-Schaltfunktion verfügen, kann so ohne weiteres eine hö herwertige 3/2-Schaltfunktion verwirklicht werden. Als Aktua toren bieten sich insbesondere solche mit elektrostatischem Wirkprinzip an, wobei die erforderlichen elektrischen Leiter entweder von den Schichten selbst oder durch zusätzlich auf gebrachte leitende Schichten oder Leiterbahnen realisiert sein können. Letzteres insbesondere dann, wenn die betreffen den Ventilschichten aus Kunststoffmaterial bestehen und die erforderliche Mikrostruktur durch die sogenannte LIGA-Technik hergestellt wird. Hier können die Leiterbahnen beispielsweise durch Mikrogalvanik aufgebracht sein.Be to trigger the switching operations of the valve units necessary actuators are conveniently located on le diglich one side of the associated valve member, this in turn by elastic prestressing into a ground position can be biased. That way you can be very simply so-called openers (normally closed ven unit) or so-called normally open contacts (normally open te valve unit) can be realized. From the link of a break contact and a make contact, each with a 2/2 switching function, can easily be a high quality 3/2 switching function can be realized. As Aktua gates are particularly suitable for those with electrostatic Working principle, taking the necessary electrical conductors either by the layers themselves or by additionally brought conductive layers or conductor tracks realized could be. The latter particularly when they concern the valve layers are made of plastic material and the required microstructure through the so-called LIGA technology will be produced. Here, for example, the conductor tracks be applied by micro electroplating.

Durch eine geeignete elektrische Ansteuerung der einzelnen Ventileinheiten können zweckmäßigerweise auch quasi-stetige Funktionen realisiert werden, die sich beispielsweise für Druckregelungen oder für pneumatisches Positionieren eignen.By suitable electrical control of the individual Valve units can expediently also be quasi-continuous Functions can be realized, for example for Pressure controls or suitable for pneumatic positioning.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich nung näher erläutert. In dieser zeigen:The invention based on the accompanying drawing tion explained in more detail. In this show:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine mögliche Bauform einer Mikroventilanordnung, die zwei 2/2-Ventileinheiten umfaßt, die zu einer 3/2-Schaltfunktion verknüpft sind, die in Fig. 3 symbolisch dargestellt ist, ent sprechend Schnittlinie I-I aus Fig. 2; Fig. 1 shows a cross section through a possible design of a microvalve arrangement, which comprises two 2/2-valve units which are linked to a 3/2-switching function, which is symbolically shown in Fig. 3, accordingly section line II of Fig. 2;

Fig. 2 das Mikroventil aus Fig. 1 in einem Schnitt parallel zu den Schichten gemäß Schnittlinie II-II aus Fig. 1; FIG. 2 shows the microvalve from FIG. 1 in a section parallel to the layers according to section line II-II from FIG. 1;

Fig. 3 das Schaltsymbol für die Mikroventilanordnung aus Fig. 1 und 2; und Fig. 3 is a circuit symbol for the micro-valve arrangement of Figures 1 and 2; FIG. and

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung einer Mikroventilanordnung in einer Schnittdarstellung entsprechend Fig. 2, wo bei zum Erhalt einer noch kompakteren Anordnung eine etwas andere Verteilung der Ventileinheiten gewählt ist. Fig. 4 shows a further embodiment of a microvalve arrangement in a sectional view corresponding to Fig. 2, where a slightly different distribution of the valve units is selected in order to obtain an even more compact arrangement.

Die erfindungsgemäße Mikroventilanordnung 1 ist als Bauein heit gestaltet, in der eine Mehrzahl von in zweckmäßiger Wei se miteinander verknüpften einzelnen Ventileinheiten 2 inte griert sind. In den Fig. 2 und 4 sind die Ventileinheiten 2 schematisch strichpunktiert angedeutet, wobei in der prak tischen Ausführung tatsächlich ein fließender Übergang vor handen ist und keine fluidische Unterteilung innerhalb der vorhandenen Schichten vorliegt. Insgesamt sind die gezeigten Mikroventilan ordnungen 1 in Gestalt einzelner Bausteine chipartig ausgeführt und umfassen jeweils eine Mehrzahl von flächig aufeinanderlie genden Schichtelementen 3 geeigneten mikromechanisch bearbeit baren Materials.The microvalve arrangement 1 according to the invention is designed as a construction unit in which a plurality of individual valve units 2 which are linked to one another in an expedient manner are integrated. In FIGS. 2 and 4, the valve units 2 are schematically indicated by dash-dotted lines, wherein in the spectrum of practical embodiment is actually a smooth transition before hands and there is no fluidic subdivision within the existing layers. Overall, the shown Mikroventilan arrangements 1 in the form of individual modules are chip-like and each comprise a plurality of flat layer elements 3 suitable micromechanically machinable material.

Die Mikroventilanordnung 1 der Fig. 1 bis 3 ist als chipar tige Baueinheit ausgeführt, in der zwei Ventileinheiten 2 auf engstem Raume zusammengefaßt sind. Eines der Schichtelemente 3 ist als einstückige zusammenhängende Steuerschicht 4 ausgebil det, die über mehrere, beispielsgemäß zwei Stück, in der zuge ordneten Schichtebene 5 nebeneinander angeordnete Ventilglieder 6 verfügt, die durch mikromechanische Bearbeitung aus dem be treffenden Schichtelement 3 herausstrukturiert sind.The microvalve assembly 1 of Fig. 1 to 3 is designed as a structural unit chipar term are summarized in the two valve units 2 in a confined space. One of the layer elements 3 is designed as a one-piece coherent control layer 4 , which has a plurality of, for example two pieces, valve elements 6 arranged next to one another in the assigned layer level 5 , which are structured by micromechanical processing from the layer element 3 concerned .

Bei den Ventilgliedern 6 handelt es sich um membran- oder plat tenartige Abschnitte der Steuerschicht 4, die über dünne fe derelastische Aufhängungsarme 7 mit dem verbleibenden, nachfol gend als Grundpartie 8 bezeichneten Bestandteil der Steuer schicht 4 verbunden sind.The valve members 6 are membrane- or plat-like sections of the control layer 4 , which are connected via thin fe derelastic suspension arms 7 to the remaining part of the control layer 4 , hereinafter referred to as the base section 8 .

Die Steuerschicht 4 ist beispielsweise zwischen zwei Basis schichten 12, 13 aufgenommen, die ebenfalls jede von einem zu sammenhängenden einstückigen Schichtelement 3 gebildet sind. Durch an sich bekannte Fügeverfahren, beispielsweise durch Waverbondprozesse, sind die beiden Basisschichten 12, 13 an den einander entgegengesetzten Schichtflächen 14, 14' der Steuer schicht 4 mit der die Schichtdicke vorgebenden Grundpartie 8 fest verbunden. Die Dicke der Ventilglieder 6 ist etwas gerin ger, so daß ausreichend Spielraum vorliegt, um eine durch Dop pelpfeile 15 angedeutete hin und her gehende Schaltbewegung rechtwinkelig zur Schichtebene 5 ausführen zu können.The control layer 4 is, for example, between two base layers 12 , 13 , which are also each formed by a coherent one-piece layer element 3 . By means of known joining methods, for example by means of waver bonding processes, the two base layers 12 , 13 on the opposite layer surfaces 14 , 14 'of the control layer 4 are firmly connected to the base part 8 defining the layer thickness. The thickness of the valve members 6 is slightly gerin ger, so that there is sufficient scope to perform a reciprocating indicated by double arrows 15 to and fro switching movement at right angles to the layer plane 5 .

In einer der Basisschichten 13 sind mehrere in Schichtdicken richtung durchgehende Fluiddurchtrittsöffnungen 16 ausgebildet. Ihre Struktur ist wie diejenige der Ventilglieder 6 durch mi kromechanische Bearbeitung der betreffenden Basisschicht 13 entstanden. Die Anordnung ist so getroffen, daß jedem Ventil glied 6 in Richtung der Schaltbewegung 15 eine Fluiddurch trittsöffnung 16, 16' gegenüberliegt, die von dem zugeordneten Ventilglied 6 gesteuert wird. Darüberhinaus verfügt jede Venti leinheit 2 über eine mit Abstand neben der gesteuerten Fluid durchtrittsöffnung 16' angeordnete, ständig offene ungesteuerte Fluiddurchtrittsöffnung 16", so daß jede Ventileinheit 2 zwei Fluiddurchtrittsöffnungen 16; 16', 16" enthält.In one of the base layers 13 , a plurality of fluid passage openings 16 are formed in the direction of the layer thickness. Its structure, like that of the valve members 6, was created by micro-mechanical processing of the relevant base layer 13 . The arrangement is such that each valve member 6 in the direction of the switching movement 15 a fluid passage opening 16 , 16 'opposite, which is controlled by the associated valve member 6 . In addition, each valve unit 2 has a constantly open, uncontrolled fluid passage opening 16 'arranged next to the controlled fluid passage opening 16 ', so that each valve unit 2 contains two fluid passage openings 16 ; 16 ', 16 ''.

Die auf der den Fluiddurchtrittsöffnungen 16 entgegengesetzten Schichtseite angeordnete zweite Basisschicht 12 ist beim Aus führungsbeispiel Öffnungslos ausgebildet und als einfache Deck schicht ausgeführt. Alle Fluiddurchtrittsöffnungen 16 liegen also auf der gleichen Seite der Steuerschicht 4. Vor allem dann, wenn die Schichtanordnung in einem wenigstens teilweise umhüllenden Gehäuse untergebracht wird, kann auf eine zweite Basisschicht auch verzichtet werden, so daß die Steuerschicht nur an einer ihrer größerflächigen Seiten von einer Basisschicht flankiert wird.The second base layer 12 arranged on the layer side opposite the fluid passage openings 16 is formed without opening in the exemplary embodiment and is designed as a simple cover layer. All fluid passage openings 16 are therefore on the same side of the control layer 4 . Especially if the layer arrangement is accommodated in an at least partially enveloping housing, a second base layer can also be dispensed with, so that the control layer is flanked by a base layer only on one of its larger-area sides.

Jedenfalls wird die Steuerschicht 4 an einer oder an beiden ih rer quer und insbesondere rechtwinklig zur Schichtebene 5 ori entierten Schichtseiten von einer Basisschicht 12, 13 flan kiert, deren Schichtebene(n) zweckmäßigerweise parallel zu der jenigen der Steuerschicht 4 verläuft bzw. verlaufen.In any case, the control layer 4 is applied to one or both ih rer transverse and in particular perpendicular ori oriented to the layer plane 5 layer sides of a base layer 12, flan kiert 13, the plane of the layer (s) is advantageously parallel to the person you would like control layer 4 and extend.

Jedem Ventilglied 6 ist auf einer der größerflächigen Schicht seite ein Aktuator 17 zugeordnet, über den die Schaltbewegung 15 hervorgerufen werden kann. Diese Aktuatoren 17 arbeiten beim Ausführungsbeispiel nach elektrostatischem Wirkprinzip.Each valve member 6 is assigned on one of the larger layer side, an actuator 17 , via which the switching movement 15 can be caused. In the exemplary embodiment, these actuators 17 operate on the principle of electrostatic action.

Beide Ventileinheiten sind beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 als 2/2-Ventileinheiten ausgeführt, die eine 2/2- Schaltfunktion ausführen können. In der einen Schaltstellung nimmt das Ventilglied 6 eine Schließstellung 18 ein, in der es die zugeordnete gesteuerte Fluiddurchtrittsöffnung 16' ab sperrt, indem es diese unter gleichzeitiger Anlage an der ent sprechenden Basisschicht 13 überdeckt. In der Offenstellung 18' ist das Ventilglied 6 von der gesteuerten Fluiddurchtrittsöff nung 16' abgehoben, so daß durch diese hindurch eine Fluidströ mung möglich ist. Um in der Schließstellung eine sichere Ab dichtung zu erzielen, können an der entsprechenden Seite des Ventilgliedes 6 und/oder der zugeordneten Basisschicht 12, 13 geneigte Ventilsitze herausstrukturiert sein.In the exemplary embodiment of FIGS. 1 to 3, both valve units are designed as 2/2 valve units which can carry out a 2/2 switching function. In one switching position, the valve member 6 assumes a closed position 18 in which it blocks the associated controlled fluid passage opening 16 'by covering it while at the same time resting on the corresponding base layer 13 . In the open position 18 ', the valve member 6 is lifted from the controlled fluid passage opening 16 ', so that fluid flow is possible therethrough. In order to achieve a secure seal in the closed position, inclined valve seats can be structured on the corresponding side of the valve member 6 and / or the associated base layer 12 , 13 .

Beim Ausführungsbeispiel ist eine Ventileinheit 2, 2' als soge nannter Öffner ausgeführt. Hier befindet sich das Ventilglied 6 normalerweise, also im unbetätigten Zustand, in der Schließ stellung 18. Die andere Ventileinheit 2, 2" ist ein sogenannter Schließer, wobei sich das Ventilglied 6 normalerweise, also in unbetätigtem Zustand, in der Offenstellung befindet. In the exemplary embodiment, a valve unit 2 , 2 'is designed as a so-called opener. Here, the valve member 6 is normally, that is, in the unactuated state, in the closed position 18th The other valve unit 2 , 2 ″ is a so-called closer, wherein the valve member 6 is normally in the open position, that is to say in the unactuated state.

Bei dem Öffner 2, 2' befindet sich der Aktuator 17 zweckmäßi gerweise an der von der gesteuerten Fluiddurchtrittsöffnung 16' abgewandten Rückseite. Beim Schließer 2, 2" befindet sich der Aktuator 17 zweckmäßigerweise an der der gesteuerten Fluid durchtrittsöffnung 16' zugewandten Vorderseite des Ventilglie des 6. Jeder Aktuator 17 enthält beispielsgemäß zwei sich ge genüberliegende Elektroden 22, 22', wobei die eine Elektrode 22 zweckmäßigerweise jeweils unmittelbar vom Ventilglied 6 gebil det ist. Die notwendige elektrische Leitfähigkeit ergibt sich aus der Materialwahl für die Steuerschicht 4, die beim Ausfüh rungsbeispiel aus einem Halbleitermaterial und insbesondere aus Siliziummaterial besteht. Ein Steueranschluß zur Einspeisung der Steuersignale ist bei 23 angedeutet.In the opener 2 , 2 ', the actuator 17 is expediently on the rear side facing away from the controlled fluid passage opening 16 '. At the closer 2 , 2 ", the actuator 17 is expediently located on the front side of the valve member 6 of the controlled fluid passage opening 16 '. Each actuator 17 contains, for example, two opposing electrodes 22 , 22 ', the one electrode 22 expediently in each case directly is formed by the valve member 6. The necessary electrical conductivity results from the choice of material for the control layer 4 , which in the exemplary embodiment consists of a semiconductor material and in particular of silicon material, a control connection for feeding in the control signals is indicated at 23 .

Die beiden Basisschichten 12, 13 bestehen beim Ausführungsbei spiel ebenfalls aus Halbleitermaterial und insbesondere aus Si liziummaterial, doch ist die jeweilige Elektrode 22' zweckmäßi gerweise von einer zusätzlichen leitfähigen Materialschicht ge bildet, die nachträglich unter Zwischenfügung einer Isolations schicht aufgebracht ist, um eine bessere Potentialtrennung zu erhalten. Die Verbindung zu den außen an den Basisschichten 12, 13 angeordneten Steueranschlüssen 23' kann hier mittels in ent sprechender Weise aufgebrachter Leiterbahnen 24 erfolgen.The two base layers 12 , 13 are also in the game Ausführungsbei from semiconductor material and in particular from silicon material, but the respective electrode 22 'is expediently ge from an additional conductive material layer, which is subsequently applied with the interposition of an insulation layer, for better electrical isolation to obtain. The connection to the control connections 23 ′ arranged on the outside on the base layers 12 , 13 can be made here by means of conductor tracks 24 applied in a corresponding manner.

Die Steuerschicht 4 und die beiden Basisschichten 12, 13 wie auch sonstige eventuelle noch vorhandene Schichtelemente 3 kön nen auch aus anderem, mikromechanisch bearbeitbarem Material bestehen. Während bei der Ausgestaltung aus Siliziummaterial das Strukturieren der einzelnen Bestandteile vorwiegend durch Ätztechnik erfolgt, könnten die einzelnen Materialschichten beispielsweise auch aus Kunststoffmaterial gefertigt sein, beispielsweise durch Abformprozesse wie Spritzguß, Galvano formung, Prägung oder sogenannter LIGA-Technik, bei der die Prozeßstufen Lithografie, Galvanik und Abformung zur Anwen dung gelangen. In diesem Falle werden die für die Aktuatoren erforderlichen leitfähigen Bahnen und Schichten beispielswei se durch galvanische Maßnahmen aufgebracht. In der Mikroven tilanordnung können ohne weiteres auch Schichten unterschied lichen Materials enthalten sein. Auch können die einzelnen Schichten selbst ebenfalls aus mehreren Materialien zusammen gesetzt sein.The control layer 4 and the two base layers 12 , 13, as well as any other layer elements 3 that may still be present, may also consist of other micromechanically machinable material. While the structuring of the individual components takes place predominantly by etching technology in the configuration made of silicon material, the individual material layers could also be made of plastic material, for example, by molding processes such as injection molding, electroforming, embossing or so-called LIGA technology, in which the process stages lithography, electroplating and impression are used. In this case, the conductive tracks and layers required for the actuators are applied, for example, by galvanic measures. Layers of different materials can also be contained in the micro valve arrangement. The individual layers themselves can also be composed of several materials.

Zusätzlich zu den bisher erwähnten Schichten umfaßt die Mi kroventilanordnung 1 eine Kanalschichtanordnung 25, die an der der Steuerschicht 4 entgegengesetzten Seite der mit Fluiddurchtrittsöffnungen 16 versehenen Basisschicht 13 ange ordnet ist. Sie setzt sich je nach Ausgestaltung aus einer oder mehreren aufeinanderliegenden Schichtelementen 3 zusam men, wobei das Ausführungsbeispiel drei derartige Schichtele mente 3 vorsieht, die nachstehend zur besseren Unterscheidung als Kanalschichtelemente 26 bezeichnet seien. Die Kanal schichtanordnung 25 dient zur internen Verschaltung der Ven tileinheiten 2 sowie zur Verbindung der Fluiddurchtrittsöff nungen 16 mit der Umgebung. Zu diesem Zweck enthält die Ka nalschichtanordnung 25 einen oder mehrere Fluidkanäle 27, die zum einen mit ausgewählten der Fluiddurchtrittsöffnungen 16 kommunizieren und zum anderen zur Außenfläche der Kanal schichtanordnung 25 führen und dort an Schnittstellen 32 enden, die die Verbindung zu weiterführenden Kanälen gestatten.In addition to the previously mentioned layers, the micro valve arrangement 1 comprises a channel layer arrangement 25 which is arranged on the side of the control layer 4 opposite the base layer 13 provided with fluid passage openings 16 . Depending on the configuration, it is composed of one or more layer elements 3 lying one on top of the other, the exemplary embodiment providing three such layer elements 3 , which are referred to below as channel layer elements 26 for better differentiation. The channel layer arrangement 25 serves for the internal connection of the valve units 2 and for connecting the fluid passage openings 16 to the environment. For this purpose, the channel layer arrangement 25 contains one or more fluid channels 27 , which on the one hand communicate with selected ones of the fluid passage openings 16 and on the other hand lead to the outer surface of the channel layer arrangement 25 and end there at interfaces 32 which permit the connection to further channels.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 enthält die Kanal schichtanordnung 25 insgesamt drei Fluidkanäle 27, die durch mikromechanische Bearbeitung der verschiedenen Kanalschichtele mente 26 herausstrukturiert sind. Einer der Fluidkanäle 27 dient zur Verbindung mit einer Druckquelle P und kommuniziert mit einer ungesteuerten Fluiddurchtrittsöffnung 16" der als Öffner 2' ausgebildeten Ventileinheit 2. Ein anderer Fluidkanal 27 dient zur Verbindung mit einer Drucksenke R, also beispiels weise mit der Atmosphärendruck aufweisenden Umgebung und steht mit der gesteuerten Fluiddurchtrittsöffnung 16' der als Schlie ßer 2" ausgebildeten anderen Ventileinheit 2 in Verbindung. Ein dritter Fluidkanal 27 ermöglicht die Verbindung zu einem Ver braucher A und steht gleichzeitig mit der gesteuerten Fluid durchtrittsöffnung 16' der erstgenannten Ventileinheit 2 und der ungesteuerten Fluiddurchtrittsöffnung 16" der anderen Ven tileinheit 2 in Verbindung.In the embodiment of FIGS. 1 to 3, the channel layer arrangement 25 contains a total of three fluid channels 27 , which are structured out by micromechanical processing of the various channel layer elements 26 . One of the fluid channels 27 is used for connection to a pressure source P and communicates with an uncontrolled fluid passage opening 16 ″ of the valve unit 2 designed as an opener 2 '. Another fluid channel 27 is used for connection to a pressure sink R, that is to say with the atmosphere having atmospheric pressure, for example with the controlled fluid passage opening 16 'of the other valve unit 2 designed as a closer 2 "in connection. A third fluid passage 27 allows the connection to a Ver consumers A and is controlled simultaneously with the fluid passage opening 16 'of the first-mentioned valve unit 2 and the uncontrolled fluid passage opening 16 "of the other Ven tileinheit 2 in connection.

Somit ergibt sich über die Fluidkanäle 27 eine Verknüpfung der vorhandenen Ventileinheiten 2, aus der eine 3/2-Schaltfunktion der Mikroventilanordnung 1 resultiert, wenn die Ventileinheiten 2 so betätigt werden, daß sich das jeweils eine Ventilglied 6 in der Schließstellung befindet, während gleichzeitig das an dere Ventilglied 6 die Offenstellung einnimmt. Der mit einem Verbraucher A verbindbare Fluidkanal 27 steht dann abwechselnd mit der Druckquelle P oder der Drucksenke R in Verbindung. This results in a connection of the existing valve units 2 via the fluid channels 27 , from which a 3/2-switching function of the microvalve arrangement 1 results when the valve units 2 are actuated such that the one valve member 6 is in the closed position, while at the same time at the other valve member 6 assumes the open position. The fluid channel 27 which can be connected to a consumer A is then alternately connected to the pressure source P or the pressure sink R.

Die Fluidkanäle 27 verlaufen in der Kanalschichtanordnung 25 parallel zu den Schichtebenen 5 der sandwichartig aufeinander geschichteten Schichtelemente 3. Somit können die Schnittstel len 32 rechtwinklig zur Achsrichtung der Fluiddurchtrittsöff nungen 16 ausgerichtet und seitlich angeordnet sein, was eine einfache externe fluidische Verknüpfung erlaubt. Durch die Wahl einer ausreichenden Anzahl von Kanalschichtelementen 26 kann dabei ein ausreichend großer Kanalquerschnitt für die Fluidka näle 27 zur Verfügung gestellt werden, die sich praktisch aus übereinanderliegenden Durchbrüchen und Vertiefungen innerhalb der Kanalschichtelemente 26 zusammensetzen.The fluid channels 27 run in the channel layer arrangement 25 parallel to the layer planes 5 of the sandwich-like layer elements 3 . Thus, the intersection len 32 can be aligned perpendicular to the axial direction of the fluid passage openings 16 and arranged laterally, which allows a simple external fluid connection. By choosing a sufficient number of channel layer elements 26 , a sufficiently large channel cross section can be made available for the fluid channels 27 , which are practically composed of overlapping openings and depressions within the channel layer elements 26 .

Die vorhandenen Fluidkanäle 27 verlaufen bevorzugt parallel zu einander, wobei sie in den zugeordneten Schichtebenen mit Ab stand nebeneinander liegen. So verläuft beim Ausführungsbei spiel der Fig. 1 bis 3 der zu einem Verbraucher A führende Fluidkanal 27 zwischen den beiden ihn auf entgegengesetzten Seiten flankierenden anderen Fluidkanälen 27, die eine Verbin dung zu einer Druckmittelquelle P oder zu einer Entlüftungs stelle R ermöglichen. Darüberhinaus sind bei diesem Ausfüh rungsbeispiel die beiden Ventileinheiten 2 in einer Anordnungs richtung 33 aufeinanderfolgend nebeneinander angeordnet, die rechtwinklig zur Längsrichtung der insbesondere einen linearen Verlauf aufweisenden Fluidkanäle 27 verläuft.The existing fluid channels 27 preferably run parallel to one another, wherein they are adjacent to one another in the associated layer planes. As 1 leading to a consumer A fluid channel extends at Ausführungsbei game of FIG. To 3 27 between the two flanking it on opposite sides of the other fluid passageways 27 which allow Verbin dung to a pressure medium source P or to a venting location r. In addition, in this exemplary embodiment, the two valve units 2 are successively arranged next to one another in an arrangement direction 33 , which runs at right angles to the longitudinal direction of the fluid channels 27 , which in particular have a linear profile.

Im Vergleich dazu gibt die Fig. 4 eine abgewandelte Ausfüh rungsform wieder, bei der die beiden Ventileinheiten 2 unter Beibehaltung der geschilderten Funktionen so angeordnet sind, daß sie sich in der Anordnungsrichtung 33 überlappen und ab schnittsweise nebeneinanderliegen. Dies macht deutlich, daß man je nach gewählter Topografie auf die Längen- und Breiten abmessungen des Mikroventilkörpers Einfluß nehmen kann.In comparison, Fig. 4 shows a modified Ausfüh approximate shape, in which the two valve units 2 are arranged while maintaining the functions described so that they overlap in the arrangement direction 33 and from section by section. This makes it clear that, depending on the selected topography, the length and width dimensions of the microvalve body can be influenced.

Es besteht ohne weiteres die Möglichkeit, mehr als zwei Ven tileinheiten in der Mikroventilanordnung 1 zu integrieren. In diesem Falle enthält die Steuerschicht 4 eine entsprechende Mehrzahl von herausstrukturierten Ventilgliedern 6 und die eine Basisschicht 13 eine entsprechende Mehrzahl von Fluid durchtrittsöffnungen 16. Im Zusammenhang mit den Fluiddurch trittsöffnungen 16 ist allerdings darauf hin zuweisen, daß diese bei allen Ausführungsbeispielen nicht notwendigerweise in einer gemeinsamen Basisschicht 13 vorgesehen sein müssen, sondern daß durchaus beide Basisschichten 12, 13 über zu den Ventileinheiten 2 gehörende Fluiddurchtrittsöffnungen 16 ver fügen können. Beispielsweise wäre es denkbar, einer oder meh reren Ventileinheiten 2 in der einen Basisschicht 13 zwei Fluiddurchtrittsöffnungen und in der anderen Basisschicht 12 eine weitere Fluiddurchtrittsöffnung zuzuordnen, wobei letz tere sowie eine der Fluiddurchtrittsöffnungen der erstgenann ten Basisschicht 13 vom zugeordneten Ventilglied 6 steuerbar sind, so daß die Ventileinheit eine 3/2-Schaltfunktion aus führen kann.It is readily possible to integrate more than two valve units in the microvalve arrangement 1 . In this case, the control layer 4 contains a corresponding plurality of structured valve members 6 and the one base layer 13 contains a corresponding plurality of fluid passage openings 16 . In connection with the fluid passage openings 16 , however, it should be pointed out that, in all the exemplary embodiments, these do not necessarily have to be provided in a common base layer 13 , but that both base layers 12 , 13 can have ver through fluid passage openings 16 belonging to the valve units 2 . For example, it would be conceivable to assign one or more valve units 2 in one base layer 13 two fluid passage openings and in the other base layer 12 a further fluid passage opening, the latter and one of the fluid passage openings of the former base layer 13 being controllable by the associated valve member 6 , so that the valve unit can perform a 3/2 switching function.

Jedenfalls erlaubt es die integrierte Mehrfachanordnung von Ventileinheiten 2 in einem einzigen Mikroventil, auf der Ba sis niederwertiger 2/2-Schaltfunktionen, gewünschte höherwer tige x/y-Schaltfunktionen zu realisieren, wobei "x" als Para meter für eine Zahl größer oder gleich "3" und "y" als Para meter für eine Zahl größer oder gleich "2" stehen kann. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise insgesamt die Funktion eines 4/2- oder 4/3-Ventils nachbilden, oder eines 5/2- oder 5/3-Ventils.In any case, the integrated multiple arrangement of valve units 2 in a single microvalve, on the basis of low-value 2/2 switching functions, allows desired higher-value x / y switching functions to be implemented, "x" being a parameter for a number greater than or equal to " 3 "and" y "can stand for a number greater than or equal to" 2 ". In this way, for example, the overall function of a 4/2 or 4/3 valve or a 5/2 or 5/3 valve can be simulated.

Zusätzlich zu den zum Erreichen höherwertiger Ventilfunktio nen dienenden Maßnahmen können gleichzeitig sich auf eine Vergrößerung der Durchflußwerte beziehende Maßnahmen vorgese hen sein.In addition to the valve function to achieve higher quality Necessary measures can simultaneously refer to one Measures related to increasing the flow values hen.

Um die Ventileinheiten 2 zu betätigen, ist zweckmäßigerweise eine elektronische Steuereinrichtung 37 vorhanden, die an die verschiedenen Steueranschlüsse 23, 23', der Mikroventilanord nung 1 angeschlossen ist und eine wunschgemäß abgestimmte An steuerung und Betätigung der einzelnen Ventileinheiten 2 er möglicht. Denkbar wäre beispielsweise auch eine Ansteuerung, bei der zeitlich abgestuft eine zunehmende größere Anzahl von Ventileinheiten 2 betätigt wird, so daß sich unterschiedliche Schaltzustände ergeben, in denen ausgangsseitig unterschied liche Drücke oder Durchflußwerte vorliegen, so daß ein quasi stetiges Betriebsverhalten vorliegt. Unter Umständen können dabei auch noch die Betätigungszeiten für einzelne der Ven tileinheiten variiert werden. Insgesamt sind überaus flexible Betriebsweisen möglich.In order to actuate the valve units 2 , an electronic control device 37 is expediently available, which is connected to the various control connections 23 , 23 ', the microvalve arrangement 1 and enables a desired control and actuation of the individual valve units 2 . A control would also be conceivable, for example, in which an increasing larger number of valve units 2 is actuated in stages, so that different switching states result in which different pressures or flow values are present on the output side, so that there is a quasi-constant operating behavior. Under certain circumstances, the actuation times for individual valve units can also be varied. Overall, extremely flexible modes of operation are possible.

Von Vorteil bei der Mikroventilanordnung 1 ist auch die ein fache Herstellung. Alle notwendigen Ventileinheiten können praktisch in einem Arbeitsverfahren gefertigt werden. Es bie tet sich hier eine Batchfertigung an, in der die Schichtele mente 3 in gewünschter Weise einzeln herstellbar werden, um anschließend zum Beispiel durch Waverbondprozesse fest zusam mengefügt zu werden. Eine nachträgliche aufwendige fluidtech nische Verknüpfung über separat zu fertigende Kanäle oder an zuschließende Leitungen erübrigt sich somit.Another advantage of the microvalve arrangement 1 is that it is a simple manufacture. All necessary valve units can be practically manufactured in one working process. There is a batch production here, in which the layer elements 3 can be manufactured individually in the desired manner, in order to subsequently be firmly joined together, for example by means of bonded bonding processes. A subsequent, complex fluid-tech linkage via channels to be manufactured separately or to lines to be closed is therefore unnecessary.

Claims

1. Microvalve arrangement in a multilayer structure, with a coherent control layer ( 4 ), the units for forming several valve units each having a 2/2 switching function ( 2 ) via a plurality of micromechanically structured valve elements ( 6 ) arranged side by side in the layer plane ( 5 ) has, where at least one of each fluid to be controlled through opening (16, 16 ') opposite to said fluid duch openings (16, 16') by micromechanical struc turing in at least one of the control layer (4) flank the base layer (12, 13) formed , characterized in that the fluid passage openings ( 16 ) of the valve units having a 2/2 switching function ( 2 ) are at least partially connected via mi cromechanically structured fluid channels ( 27 ) in such a way that at least by correspondingly coordinated actuation of the valve units ( 2 ) a higher-quality x / y switching function can be implemented, with "x" g is greater than or equal to "3" and "y" greater than or equal to "2".

2. Microvalve arrangement according to claim 1, characterized in that the control layer ( 4 ) between two base layers ( 12 , 13 ) is arranged, wherein the fluid passage openings ( 16 ) in only one or in both base layers ( 12 , 13 ) formed are.

3. Microvalve arrangement according to claim 2, characterized in that all the fluid passage openings ( 16 ) in a common coherent base layer ( 13 ) are ausgebil det, the other base layer ( 12 ) forming an opening lo se top layer.

4. Microvalve arrangement according to claim 1, characterized records that the control layer on only one side of is flanked by a base layer.

5. Microvalve arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that on at least one side of each valve member ( 6 ), in particular an actuator ( 16 ) operating on an electrostatic operating principle is arranged.

6. Microvalve arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that on the control layer ( 4 ) from the side facing at least one base layer ( 13 ) is provided from one or more successive layer elements ( 3 , 26 ) existing channel layer arrangement ( 25 ) , in which at least one of the micromechanically structured fluid channels ( 27 ) runs.

7. Microvalve arrangement according to claim 6, characterized in that the channel layer arrangement ( 25 ) contains several with un different fluid passage openings communicating fluid channels ( 27 ), which advantageously run parallel to each other.

8. Microvalve arrangement according to claim 6 or 7, characterized in that the at least one fluid channel ( 27 ) runs paral lel to the layer planes ( 5 ).

9. Microvalve arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized by a plurality of valve units ( 2 ) with a 2/2-switching function, some of which are designed as normally closed ("normally closed") and partly as normally open ("normally opened").

10. Micro valve arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized by at least two rows ( 35 ) of valve units ( 2 ) running parallel to one another and parallel to the layer planes ( 5 ).

11. Micro valve arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the layers at least in part made of semiconductor material and in particular of silicon material consist.

12. Micro valve arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the layers at least in part consist of plastic or metal material.

13. Micro valve arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the individual layers by Batch production and then for example are firmly joined by wafer bonding processes.

14. Microvalve arrangement according to one of claims 1 to 13, characterized in that a control device ( 37 ) is present before, with which the valve units ( 2 ) can be controlled in such a way that different switching states result, in each of which a different number of valve units ( 2 ) is actuated at the same time, whereby under certain circumstances there may still be different actuation times for individual valve units ( 2 ).