DE19816283A1 - Mengenverstärkereinrichtung für Fluidströme - Google Patents

Abstract

Es wird eine Mengenverstärkereinrichtung für Fluidströme vorgeschlagen, die über mindestens einen durch Mikrostrukturierungsverfahren hergestellten, fluidgesteuerten mikromechanischen Mengenverstärker (2) verfügt. Er enthält eine durch zwei Schichtkörper (3, 4) begrenzte Kammer, die von einer beweglichen Steuermembran (6) unterteilt ist. Durch Fluidansteuerung läßt sich die Steuermembran (6) zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung umschalten, in der sie die Verbindung zwischen einem Zuströmkanal (13) und einem Abstömkanal (14) steuert.

Description

Auf dem Sektor der fluidischen Mikrosteuerungstechnik sind durch Mikrostrukturierungsverfahren hergestellte Mikroventile bekannt, die die Steuerung kleiner und kleinster Fluidströme ermöglichen. Die EP 0 485 739 A1 beschreibt eine mögliche Bauform für ein derartiges Mikroventil, wobei eine aus einem Silizium-Träger herausstrukturierte Ventilplatte durch elek­ trostatische Aktoren betätigt werden kann, um eine Fluidströ­ mung zu steuern.

Nachteilig bei dem bekannten Mikroventil ist der begrenzte steuerbare Fluiddurchsatz. Bedingt durch die elektrostati­ schen Aktoren kann ein nur geringer Hub der Ventilplatte rea­ lisiert werden, was die zur Verfügung stellbaren Strömungs­ querschnitte begrenzt. Zur Steuerung von Fluidströmen größe­ ren Durchsatzes muß daher meist auf konventionelle Ventil­ technik zurückgegriffen werden, was entsprechend größere Bau­ volumina zur Folge hat.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Möglichkeiten zu schaffen, die auch auf dem Sektor der fluidischen Mikro­ steuerungstechnik die Steuerung von Fluidströmen größerer Strömungsraten gestattet.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Mengenverstärkereinrich­ tung für Fluidströme, die mindestens einen durch Mikrostruk­ turierungsverfahren hergestellten, fluidgesteuerten mikrome­ chanischen Mengenverstärker enthält, der eine durch zwei Schichtkörper begrenzte Kammer aufweist, die von einer beweg­ lichen Steuermembran in einen mit einem Steuerkanal kommuni­ zierenden Steuerraum und einen mit einem Zuströmkanal und ei­ nem Abströmkanal kommunizierenden Überströmraum unterteilt ist, wobei die Steuermembran in Abhängigkeit von dem am Steu­ erkanal anstehenden Steuerdruck in eine den Zuströmkanal und den Abströmkanal verschließende Schließstellung oder eine diese beiden Kanäle freigebende und damit ein Überströmen von Fluid zwischen dem Zuströmkanal und dem Abströmkanal ermögli­ chende Offenstellung bewegbar ist.

Mit einer derartigen Mengenverstärkereinrichtung lassen sich Mikrobauweisen einerseits und die Steuerung großer Fluidmen­ gen andererseits in vorteilhafter Weise kombinieren. Der Kern der Mengenverstärkereinrichtung ist im einfachsten Fall von einem mikromechanischen Mengenverstärker in Membranbauweise gebildet, der durch beliebige Mikrostrukturierungstechnologi­ en hergestellt werden kann. Als Steuerelement kommt eine Steuermembran zum Einsatz, die zumindest partiell über biege­ flexible Eigenschaften verfügt und deren momentane Schalt­ stellung durch den am Steuerkanal angelegten Steuerdruck vor­ gegeben werden kann. Bei Anliegen eines ausreichend hohen Steuerdruckes am Steuerkanal wird die Steuermembran dicht an die Mündungen des Zuströmkanales und des Abströmkanales ange­ drückt, so daß die Verbindung zwischen diesen beiden Kanälen abgesperrt ist. Der ausreichende hohe Steuerdruck kann bei­ spielsweise durch die Wahl eines geeigneten Steuerdruckni­ veaus oder durch geeignete Flächenunterschiede der Steuermem­ bran erzielt werden. Bei entferntem oder in geeigneter Weise reduziertem Steuerdruck hebt die Steuermembran von den vorer­ wähnten Mündungen ab, so daß ein am Zuströmkanal anstehendes Fluid, beispielsweise Druckluft, durch den Überströmraum hin­ durch zum Abströmkanal überströmen kann. Die über den fluidi­ schen und vorzugsweise pneumatischen Steuerdruck verursachte Betätigung der Steuermembran gestattet dabei die Realisierung relativ großer Schaltwege und dementsprechend die Bereitstel­ lung großer Strömungsquerschnitte in der Offenstellung, so daß mit einer geringen Menge an Steuerfluid trotz Mikrobau­ weise große Mengen an Arbeitsfluid gesteuert werden können. Auf dem Sektor der Pneumatik eignet sich die Mengenverstär­ kereinrichtung außer für Überdruckanwendungen ebenso für Va­ kuumanwendungen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Un­ teransprüchen hervor.

Die Herstellung der Mengenverstärkereinrichtung und der zu dieser gehörenden Mengenverstärker ist prinzipiell mit allen relevanten Mikrostrukturierungsverfahren möglich. Nur bei­ spielhaft sei die Herstellung in Siliziumtechnologie oder durch Abformtechnik genannt. Die Steuermembran kann separat gefertigt und anschließend durch Klebeverbindung an den Schichtkörpern fixiert sein, daneben wäre auch eine unmittel­ bare Anformung zum Beispiel durch Aufschleudern möglich, nachdem der zugehörigen Schichtkörper erforderlichenfalls zu­ vor planarisiert worden ist.

Ein besonderer Vorteil der Mengenverstärkereinrichtung be­ steht darin, daß in ihr eine Mehrzahl von mikromechanischen Mengenverstärkern unter geeigneter fluidtechnischer Verknüp­ fung zusammengefaßt werden kann. Dies gestattet die Realisie­ rung kaskadierter Anordnungen oder höherwertiger Ventilfunk­ tionen. Bei einer besonders zweckmäßigen Bauform sind drei mikromechanische Mengenverstärker derart fluidtechnisch mit­ einander verknüpft, daß sich eine Dreiwege-Ventilschalt­ funktion realisieren läßt. Entsprechend der gewählten Ver­ knüpfung läßt sich hier problemlos eine Charakteristik "normalerweise geschlossen" ("normally closed") oder "nor­ malerweise offen" ("normally open") realisieren, in Abhängig­ keit vom jeweiligen Anwendungsfall.

Um eine 3/2-Ventilfunktion zu erhalten, verfügt die Mengen­ verstärkereinrichtung zweckmäßigerweise über zwei Mengenver­ stärker, die derart miteinander verknüpft sind, daß der Zu­ strömkanal des einen mit dem Abströmkanal des anderen Mengen­ verstärkers verbunden ist und beide vorgenannten Kanäle mit einem gemeinsamen Arbeitskanal kommunizieren, wobei der Steu­ erkanal des einen Mengenverstärkers über einen Vorsteuerkanal mit dem Abströmkanal eines zur Vorsteuerung herangezogenen dritten Mengenverstärkers (Vorsteuer-Mengenverstärker) ver­ bunden ist, dessen Steuerkanal mit dem Steuerkanal des ande­ ren Mengenverstärkers der beiden erstgenannten Mengenverstär­ ker kommuniziert. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Vor­ steuerkanal mit einem zur Umgebung führenden Entlüftungskanal verbunden ist, der bei abgesperrtem Abströmkanal des Vorsteu­ er-Mengenverstärkers eine Entlüftung des Vorsteuerkanals ge­ stattet. Hier kann ein ständig offener, mit einem Strömungs­ widerstand versehener Entlüftungskanal vorgesehen sein, was auch als "Bleed-Resistor" oder "Normleck" bezeichnet werden könnte. Alternativ hierzu könnte auch ein schaltbares Ab­ sperrventil vorgesehen sein, dessen Ansteuerung mit der An­ steuerung des Vorsteuer-Mengenverstärkers gekoppelt ist.

Zur Ansteuerung mindestens eines und vorzugsweise einer Grup­ pe von Mengenverstärkern verfügt die Mengenverstärkereinrich­ tung zweckmäßigerweise über wenigstens ein in Mehrschichten­ bauweise ausgeführtes mikromechanisches Steuerventil, das dem Steuerkanal wenigstens eines Mengenverstärkers zugeordnet ist, um dessen Steuerdruckbeaufschlagung und somit die Druck­ beaufschlagung des oder der angeschlossenen Steuerräume zu beeinflussen. Da der mikromechanische Mengenverstärker sei­ tens des Steuerkanals mit nur geringen Fluidmengen beauf­ schlagt werden muß, läßt sich hier zur Ansteuerung bzw. Vor­ steuerung ein übliches Mikroventil mit elektrischer Aktuie­ rung einsetzen. Eine mögliche Bauform für ein Steuerventil gibt die EP 0 485 739 A1 wieder, wobei zweckmäßigerweise ent­ weder ein 3/2-Wegeventil oder zwei 2/2-Ventile eingesetzt werden könnten.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung verfügt die Mengenverstärkereinrichtung über eine Baueinheit, in der min­ destens ein mikromechanischer Mengenverstärker und mindestens ein mikromechanisches Steuerventil zu einer Baueinheit zusam­ mengefaßt sind. Hier ist vor allem auch eine besonders gün­ stige Herstellung möglich, da die verschiedenen Schichtkörper des oder der Mengenverstärker und des oder der Steuerventile zumindest teilweise als bauliche Einheit ausgeführt und hier­ zu gemeinsam prozessiert werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich­ nung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine erste Bauform der erfindungsgemäßen Mengenver­ stärkereinrichtung, enthaltend einen einzigen mi­ kromechanischen Mengenverstärker, der im Quer­ schnitt abgebildet ist, wobei die Steuermembran in der Schließstellung gezeigt ist und ergänzend strichpunktiert ihre Offenstellung angedeutet ist,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mengenverstärkereinrichtung, die über drei zu einer 3/2-Schaltfunktion verknüpfte Mengenverstärker und ein zur Ansteuerung dienendes mikromechanisches Steuerventil verfügt, wobei die Gesamtanordnung zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist und strichpunk­ tiert zusätzliche Deckschichtkörper angedeutet sind, in denen verbindende Fluidkanäle verlaufen können, das Ganze im Schnitt rechtwinkelig zu den Ausdehnungsebenen der einzelnen Schichten,

Fig. 3 die Membranverstärkereinrichtung gemäß Fig. 2 in einem Schnitt parallel zur Ausdehnungsebene der Schichten gemäß Schnittlinie IV-IV, wobei strich­ punktiert ein optionaler Ergänzungsbestandteil dar­ gestellt ist, der ein nicht näher gezeigtes, einem Entlüftungskanal zugeordnetes schaltbares Absperr­ ventil enthält, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaues und der internen fluidtechnischen Verknüpfung der einzelnen Bestandteile der Mengenverstärkereinrichtung gemäß Fig. 2 und 3.

Beginnend mit Fig. 1 ist eine Mengenverstärkereinrichtung 1 gezeigt, die über einen einzigen fluidgesteuerten mikromecha­ nischen Mengenverstärker 2 verfügt. Dieser Mengenverstärker 2 ist durch ein beliebiges geeignetes Mikrostrukturierungsver­ fahren in Schichtbauweise hergestellt.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt der Mengenver­ stärker 2 zwei mit zueinander parallelen Ausdehnungsebenen in Normalenrichtung dieser Ausdehnungsebenen nebeneinander ange­ ordnete Schichtkörper 3, 4, die in Siliziumtechnik herge­ stellt sind. Die Schichtkörper 3, 4 begrenzen zwischen sich eine zum Beispiel durch Ätzung eingeformte Kammer 5, in der eine beispielsweise aus Kunststoffmaterial bestehende, wenig­ stens partiell biegeflexible oder zumindest biegeflexibel aufgehängte Steuermembran 6 angeordnet ist.

Die Steuermembran 6 ist randseitig im Verbindungsbereich zwi­ schen den beiden Schichtkörpern 3, 4 festgelegt und unter­ teilt die Kammer 5 in einen dem einen Schichtkörper 3 zuge­ wandten Steuerraum 7 und einen dem anderen Schichtkörper 4 zugewandten Überströmraum 8. Alternativ könnte die Steuermem­ bran auch ohne randseitige Befestigung frei beweglich ausge­ führt sein.

Der zwischen der Steuermembran 6 und dem einen, ersten Schichtkörper 3 definierte Steuerraum 7 kommuniziert mit ei­ nem Steuerkanal 12, der den ersten Schichtkörper 3 durchsetzt und gegenüberliegend der Steuermembran 6 in den Steuerraum 7 ausmündet.

Der Überströmraum 8 kommuniziert mit einem Zuströmkanal 13 und einem Abströmkanal 14. Diese beiden Kanäle durchsetzen den anderen, zweiten Dichtkörper 4 und münden gegenüberlie­ gend der Steuermembran 6 in den Überströmraum 8 ein.

Die Steuermembran 6 ist rechtwinkelig zu ihrer parallel zu den Schichtebenen verlaufenden Ausdehnungsebene gemäß Doppel­ pfeil 15 in der Kammer 5 beweglich. Hierzu kann sie insgesamt biegeelastisch ausgeführt sein und über eine beim Ausfüh­ rungsbeispiel vorhandene folienartige Struktur verfügen. Denkbar wäre aber auch eine eher starres Mittelteil, das über biegeflexible und beispielsweise armähnlich ausgeführte Auf­ hängungsbereiche an den Schichtkörpern 3, 4 festgelegt ist.

Jedenfalls läßt sich die Steuermembran 6 durch die erwähnten Bewegungsmöglichkeiten zwischen einer in Fig. 1 in durchge­ zogenen Linien dargestellten Schließstellung und einer strichpunktiert dargestellten Offenstellung bewegen. In der Schließstellung überdeckt sie die dem Überströmraum 8 zuge­ wandten Mündungen des Zuströmkanals 13 und des Abströmkanals 14, so daß diese beiden Kanäle vom Überströmraum 8 abgetrennt sind. Dabei ist die Steuermembran 6 von der Mündung des Steu­ erkanals 12 abgehoben, der demzufolge mit dem Steuerraum 7 kommuniziert. In der Offenstellung deckt die Steuermembran 6 die Mündung des Steuerkanals 12 ab und gibt gleichzeitig die Mündungen von Zuströmkanal 13 und Abströmkanal 14 frei, die somit beide mit dem Überströmraum 8 verbunden sind.

In einer möglichen Betriebsweise steht der Zuströmkanal 13 mit einer Druckquelle Y - vorzugsweise einer Druckluftquelle- in Verbindung und der Abströmkanal 14 führt zu einem Ver­ braucher Z. Der Steuerkanal 12 ist gesteuert mit einer Steu­ erdruckquelle X verbindbar, wobei die momentane Stellung der Steuermembran 6 von dem am Steuerkanal anstehenden Steuer­ druck abhängt.

In der Regel wird der am Zuströmkanal 13 anstehende Druck dem am Steuerkanal 12 anlegbaren Druck entsprechen, da beide Ka­ näle aus der gleichen Fluidquelle gespeist werden können.

Steht am Steuerkanal 12 ein unter einem ausreichenden Steuer­ druck stehendes Fluid an, wird die vorliegend als leichte Fo­ lie ausgeführte Steuermembran 6 aufgrund der Flächenunter­ schiede dicht über die Mündungen der Kanäle 13, 14 gelegt, so daß der Verbraucher Z von der Druckquelle Y abgesperrt ist. Ein Entfernen des Steuerdruckes am Steuerkanal 12 führt dazu, daß das am Zuströmkanal 13 anstehende Fluid die Steuermembran 16 von der zugeordneten Mündung abheben und in Richtung zum ersten Schichtkörper 3 verlagern kann. Dabei hebt die Steu­ ermembran 6 auch von der Mündung des Abströmkanals 14 ab und das von der Druckquelle Y stammende Fluid kann durch den Überströmraum 8 hindurch zum Verbraucher Z abströmen.

Die Steuermembran 6 ist somit fluidisch und insbesondere pneumatisch angesteuert. Dies gestattet die Realisierung gro­ ßer Membranhübe in Bewegungsrichtung 15 und dementsprechend in der Offenstellung die Gewährleistung großer Strömungsquer­ schnitte. Mit nur geringen Durchflußwerten seitens des Steu­ erkanals 12 können somit große Durchflußwerte seitens des Zu­ strömkanals 13 und des Abströmkanals 14 gesteuert und ein an­ geschlossener Verbraucher somit trotz Mikrobauweise mit hohen Strömungsraten versorgt werden.

Somit liegt ein mikromechanischer Mengenverstärker in Mem­ branbauweise vor, der sich vor allem in mikropneumatischen Anwendungen optimal zur Steuerungen von Fluidströmen einset­ zen läßt. Dabei kann er für sich allein verwendet werden oder auch in Kombination mit weiteren gleichartigen Mengenverstär­ kern, um Mengenverstärkereinrichtungen zu erhalten, die kom­ plexere Verstärkerschaltungen ermöglichen. Ein mögliches Aus­ führungsbeispiel für eine derartige Mehrfachanordnung wird später anhand der Fig. 2 bis 4 erläutert.

Bei einer möglichen Herstellungsart des Mengenverstärkers 2 werden die beiden Schichtkörper 3, 4 in Siliziumtechnik pro­ zessiert. So kann im Falle des zweiten Schichtkörpers 4 aus­ gehend von einem Siliziumwaver zunächst der Überströmraum 8 durch ein Ätzverfahren herausstrukturiert werden. Die Vertie­ fung wird anschließend mit einem Resist aufgefüllt und plana­ risiert. Darauf wird aus Kunststoffmaterial die Steuermembran 6 aufgeschleudert. Anschließend werden der Zuströmkanal 13 und der Abströmkanal 14 heraus strukturiert und durch diese Kanäle hindurch der Resist entfernt, so daß eine Einheit be­ stehend aus dem zweiten Schichtkörper 4 und der Steuermembran 6 vorliegt. Abschließend ist nur noch der ebenfalls aus einem Siliziumwaver strukturierte erste Schichtkörper 3 in geeigne­ ter Weise aufzukleben.

Es versteht sich, daß auch andere Mikrostrukturierungsverfah­ ren bei der Herstellung zur Anwendung gelangen können. So könnten die Schichtkörper 3, 4 beispielsweise aus Kunststoff­ material bestehen und die Steuermembran 6 könnte auf der Ba­ sis von Siliziummaterial hergestellt sein, beispielsweise in Gestalt eines weiteren zwischengefügten Schichtkörpers.

Soweit zur Abdichtung der Kanalmündungen Dichtsitze erforder­ lich sind, können diese nach Wahl an den Schichtkörpern 3, 4 und/oder an der Steuermembran 6 vorgesehen werden.

Die Mengenverstärkereinrichtung läßt sich allgemein überall dort einsetzen, wo kleine Durchflüsse verstärkt werden sol­ len, beispielsweise im Zusammenhang mit pneumatischen Meßta­ stern oder als fluidisch betätigtes Ventil. Die Aufhängung der Steuermembran 6 kann ein oder mehrseitig erfolgen, es ist sowohl ein fluidundurchlässiger als auch ein fluiddurchlässi­ ger Aufbau möglich. Insgesamt ist die Werkstoffauswahl des Mengenverstärkers in weiten Grenzen möglich, wobei außer Si­ lizium und Polymer auch zum Beispiel amorphe Metalle oder Werkstoffkombinationen zur Anwendung gelangen können.

Es wäre auch denkbar, den Mengenverstärker 2 zusätzlich mit einem Mikroaktor auszustatten, der zusätzlich zur fluidbetä­ tigten Umschaltung der Steuermembran in beliebiger Abstimmung hierzu eingesetzt werden kann. Im Rahmen des Grundprinzips des Mengenverstärkers sind vielfältige Ausgestaltungen denk­ bar.

Das in den Fig. 2 bis 4 gezeigte weitere Ausführungsbei­ spiel einer Mengenverstärkereinrichtung 1' zeichnet sich durch das Vorhandensein mehrerer zu einer Verstärkereinheit 16 zusammengefaßter und fluidtechnisch miteinander verknüpf­ ter mikromechanischer Mengenverstärker 2 aus. Das konkrete Ausführungsbeispiel verfügt über insgesamt drei Mengenver­ stärker 2, die zur besseren Unterscheidung mit Bezugsziffern 2', 2'' und 2''' bezeichnet sind. Die fluidische Verschaltung ist beispielsgemäß so realisiert, daß eine über einer einfa­ chen Zweiwege-Schaltfunktion liegende höherwertige Ventil­ funktion erzeugt wird, bei der es sich im vorliegenden Fall um eine 3/2-Schaltfunktion handelt.

Zunächst sei anhand der Fig. 4 der grundsätzliche schal­ tungstechnische Aufbau einer besonders vorteilhaften Ausge­ staltungsweise erläutert.

Demnach enthält die Mengenverstärkereinrichtung 1' einen er­ sten Mengenverstärker 2' und einen zweiten Mengenverstärker 2'', die derart miteinander verknüpft sind, daß der Zuströmka­ nal 13' des ersten Mengenverstärkers 2' mit dem Abströmkanal 14'' des zweiten Mengenverstärkers 2'' verbunden ist. Diese beiden Kanäle 13', 14'' kommunizieren darüber hinaus mit einem gemeinsamen Arbeitskanal A, der mit einem zu betreibenden Verbraucher verbindbar ist, beispielsweise mit einem pneuma­ tischen Miniaturzylinder.

Der Zuströmkanal 13'' des zweiten Mengenverstärkers 2'' steht mit einer Druckquelle P in Verbindung, die ein unter einem Arbeitsdruck stehendes fluidisches Druckmedium liefert.

Der Abströmkanal 14' des ersten Mengenverstärkers 2' steht mit einer Drucksenke R in Verbindung, beispielsweise mit der Atmosphäre.

Der Steuerkanal 12'' des zweiten Mengenverstärkers 2'' ist über einen Vorsteuerkanal 17 an den Abströmkanal 14''' des dritten Mengenverstärkers 2''' angeschlossen. Dabei ist die Länge des Vorsteuerkanals 17 beliebig kurz wählbar, er kann beispiels­ weise durch unmittelbar ineinander übergehende Steuer- und Abströmkanäle 12'', 14''' definiert sein, wie dies in Fig. 2 zum Ausdruck kommt.

Der dritte Mengenverstärker 2''' repräsentiert praktisch ei­ nen Vorsteuer-Mengenverstärker, der zur Vorsteuerung des zweiten Mengenverstärkers 2'' herangezogen wird. Sein Zuström­ kanal 13''' steht mit einer Druckquelle P in Verbindung, die mit derjenigen des Zuströmkanals 13'' des zweiten Mengenver­ stärkers 2'' identisch sein kann.

Der Steuerkanal 12''' des dritten Mengenverstärkers 2''' steht mit dem Steuerkanal 12' des ersten Mengenverstärkers 2' in Verbindung. Somit ist eine einheitliche Steuerdruckbeauf­ schlagung der beiden Steuerkanäle 12''', 12' möglich.

Die vorerwähnte Steuerdruckbeaufschlagung wird zweckmäßiger­ weise durch mindestens ein in Mehrschichtenbauweise herge­ stelltes mikromechanisches Steuerventil 18 gesteuert. Dieses ist beim Ausführungsbeispiel als 3/2-Schaltventil ausgeführt und durch gängige Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt. Ein möglicher Aufbau wird in der EP 0 485 739 A1 erläutert, auf die hiermit verwiesen wird, so daß auf Einzelheiten des Aufbaus verzichtet werden kann. Die Betätigung des Steuerven­ tils 18 wird elektrisch ausgelöst, zu welchem Zweck es über geeignete Aktoren verfügt, beispielsweise solche auf elektro­ statischem Wirkprinzip.

Der Ausgang 22 des Steuerventils 18 kommuniziert mit den Steuerkanälen 12', 12''' des ersten und dritten Mengenver­ stärkers 2', 2'''. Darüber hinaus steht das Steuerventil 18 mit einer Steuerdruckquelle X und einer zum Beispiel von der Atmosphäre gebildeten Drucksenke R in Verbindung.

Das Steuerventil 18 ist zweckmäßigerweise als Bestandteil der Mengenverstärkereinrichtung 1' ausgeführt und zu einer aus Fig. 2 und 3 ersichtlichen Baueinheit mit der Verstär­ kereinheit 16 zusammengefaßt. Dies ermöglicht besonders ge­ ringe Abmessungen mit kurzen Fluidwegen und dementsprechend hohem Wirkungsgrad.

Durch die in Fig. 4 gezeigte Verschaltung ergibt sich eine Mengenverstärkereinrichtung 1', die eine 3/2-Ventilfunktion hervorbringt, welche über eine sogenannte "normally closed"- Charakteristik verfügt. In der ersten Schaltstellung des Steuerventils 18 ist dessen Ausgang 22 entlüftet, so daß die beiden Steuerkanäle 12', 12''' des ersten und dritten Mengen­ verstärkers 2', 2''' drucklos sind. Daher schaltet der dritte Mengenverstärker 2''' durch und am Steuerkanal 12'' des zwei­ ten Mengenverstärkers 2'' steht ein Druck an, der die zugeord­ nete Steuermembran 6'' in die Schließstellung verlagert. Gleichzeitig kann die Steuermembran 6' des ersten Mengenver­ stärkers 2' die Offenstellung einnehmen, so daß der Arbeits­ kanal A über den Zuströmkanal 13', den Überströmraum 8' und den Abströmkanal 14' des ersten Mengenverstärkers 2' entlüf­ tet werden kann.

Ein Umschalten des Steuerventils 18 in die zweite Schaltstel­ lung hat eine Druckbeaufschlagung der beiden Steuerkanäle 12', 12''' mit dem Steuerdruck zur Folge, so daß die Steu­ ermembranen 6', 6''' des ersten und dritten Mengenverstärkers 2', 2''' in Schließstellung umschalten. Somit wird der Ar­ beitskanal A von der Drucksenke R abgetrennt und kann statt dessen über den Zuströmkanal 13'', den Überströmraum 8'' und den Abströmkanal 14'' des zweiten Mengenverstärkers 2'' von der zugehörigen Druckquelle P mit unter Arbeitsdruck stehendem Druckmedium versorgt werden.

Damit die Steuermembran 6'' des zweiten Mengenverstärkers 2'' bei geschlossenem drittem Mengenverstärker 2''' in die Offen­ stellung umschalten kann, steht der ihr zugeordnete Steuerka­ nal 12'' mit einem zu einer Drucksenke R führenden Entlüf­ tungskanal 23 in Verbindung. Letzterer kommuniziert beim Aus­ führungsbeispiel mit dem Vorsteuerkanal 17. Der Entlüftungs­ kanal 23 ermöglicht einen Druckabfall am Steuerkanal 12'' und dementsprechend das Umschalten der Steuermembran 6'' in die Offenstellung.

Der Entlüftungskanal 23 kann eine ständig offene Verbindung zur Atmosphäre bzw. Drucksenke R darstellen, deren Quer­ schnitt so gering ist, daß ein ausreichender Strömungswider­ stand vorliegt, um bei am Vorsteuerkanal 17 anliegendem Steu­ erdruck einen zu großen Druckabfall und hohe Fluidverluste zu vermeiden. Andererseits soll der Strömungswiderstand nicht zu gering sein, so daß der Vorsteuerkanal 17 bei abgesperrtem Vorsteuer-Mengenverstärker rasch entlüftet wird und der zuge­ ordnete zweite Mengenverstärker 2'' ein gutes Ansprechverhal­ ten aufweist.

Strichpunktiert ist in Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung des Entlüftungskanals 23' angedeutet. In diesem Falle ist in den Entlüftungskanal 23'' ein insbesondere durch elektrische Signale schaltbares Absperrventil 24 eingeschaltet, das zweckmäßigerweise als 2/2-Schaltventil ausgeführt ist. Es sperrt im Normalfall den Entlüftungskanal 23' ab und gibt im betätigten Zustand die Verbindung zwischen dem Vorsteuerkanal 17 bzw. dem Steuerkanal 12'' und der Drucksenke R frei, wobei ein ausreichend großer Durchmesser gewählt werden kann, um einen augenblicklichen Druckabfall herbeizuführen.

Es versteht sich, daß anstelle der "normally closed"-Charak­ teristik auch eine "normally open"-Charakteristik realisiert werden kann, die bei drucklosen Steuerkanälen 12', 12''' eine offene Fluidverbindung zwischen dem Arbeitskanal A und der Druckquelle R herstellt. Hierzu bedarf es lediglich eines Vertauschens der Anschlußkonfiguration des Abströmkanals 14' des ersten Mengenverstärkers 2' und des Zuströmkanals 13'' des zweiten Mengenverstärkers 2''. Angedeutet ist dies in Fig. 4 durch in Klammern gesetzte Bezeichnungen "R" und "P".

Die Integration der drei Mengenverstärker 2', 2'', 2''' in der Mengenverstärkereinrichtung 1' gemäß Fig. 2 bis 4 ge­ schieht vorzugsweise unter gleichzeitiger Zuordnung eines oder mehrerer Schichtkörper 3, 4 zu unterschiedlichen Mengen­ verstärkern. So erfolgt bei der Mengenverstärkereinrichtung 1' die Realisierung der Verstärkereinheit 16 unter Verwendung lediglich dreier aufeinanderliegender Schichtkörper 25, was den Herstellungsaufwand gering hält.

Beim Ausführungsbeispiel ist einer der Mengenverstärker 2 - vorliegend der dritte Mengenverstärker 2''' - in einer ersten Verstärkerebene 26 angeordnet, während die beiden anderen Mengenverstärker - vorliegend der erste und zweite Mengenver­ stärker 2', 2'' - gemeinsam in einer zweiten Verstärkerebene angeordnet sind, wobei sich die beiden Verstärkerebenen 26, 27 parallel zu den Schichtebenen erstrecken und in Normalen­ richtung aufeinanderliegend angeordnet sind. In der gezeigten Darstellung und Ausrichtung der Mengenverstärkereinrichtung 1' liegt die erste Verstärkerebene 26 oberhalb der zweiten Verstärkerebene 27.

Die beim Ausführungsbeispiel vertikal zueinander benachbarten beiden oberen Schichtkörper 25 bilden die beiden Schichtkör­ per 3''', 4''' des dritten Mengenverstärkers 2'''. Gleichzei­ tig bildet der mittlere Schichtkörper 25 den jeweiligen er­ sten Schichtkörper 3', 3'' des ersten und zweiten Mengenver­ stärkers 2', 2'' und der untere Schichtkörper 25 der Verstär­ kereinheit 16 repräsentiert in Baueinheit den zweiten Schichtkörper 4', 4'' des ersten und zweiten Mengenverstärkers 2', 2''. Obgleich es möglich wäre die Schichtkörper 3', 3''; 4', 4'' des ersten und zweiten Mengenverstärkers 2', 2'' sepa­ rat auszuführen, empfiehlt sich aus Gründen der einfacheren Herstellung durch gleichzeitiges Prozessieren die jeweils einstückige Vereinigung in jeweils ein und demselben Schicht­ körper.

Das Steuerventil 18 ist mit der Verstärkereinheit 16 zu einer Baueinheit 28 körperlich zusammengefaßt. Beim Ausführungsbei­ spiel ist es in Richtung der Schichtebenen neben der Verstär­ kereinheit 16 plaziert. Da das Steuerventil 18 ebenfalls ei­ nen Mehrschichtaufbau besitzt, bietet es sich an, seine ein­ zelnen Schichtkörper 32 mit paralleler Schichtausrichtung an­ zuordnen, und insbesondere derart, daß jeweils ein Schicht­ körper 25 der Verstärkereinheit 16 in der gleichen Ebene mit einem Schichtkörper 32 des Steuerventils 18 verläuft. Beim Ausführungsbeispiel ist dies realisiert, wobei das Steuerven­ til 18 vergleichbar der Verstärkereinheit 16 über einen drei­ schichtigen Aufbau verfügt. In diesem Zusammenhang ist eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung dann gegeben, wenn die je­ weils in einer gemeinsamen Schichtebene liegenden Schichtkör­ per 25, 32 der Verstärkereinheit 16 und des Steuerventils 18 einstückig miteinander ausgebildet sind und sich daher ge­ meinsam herstellen lassen. Damit wird auch der Zusammenbau der Mengenverstärkereinrichtung 1' sehr vereinfacht und es lassen sich Dichtstellen an den Fügebereichen vermeiden.

Anstelle eines Steuerventils 18 mit 3/2-Schaltfunktion könn­ ten beispielsweise auch zwei 2/2-Schaltventile vorgesehen werden.

Die erwähnte Baueinheit 28 könnte bei Bedarf noch durch eine Entlüftungseinheit 33 ergänzt werden - in Fig. 3 strichpunk­ tiert angedeutet -, in der der Entlüftungskanal 23, 23' und insbesondere auch ein gegebenenfalls vorhandenes Absperrven­ til 24 angeordnet ist. Die Entlüftungseinheit 33 könnte dabei ohne weiteres über einen Schichtaufbau vergleichbar dem Steu­ erventil 18 verfügen und entsprechend diesem mit den Schicht­ körpern 25,32 der Verstärkereinheit 16 und/oder des Steuer­ ventils 18 gekoppelt oder einstückig ausgeführt sein.

In Fig. 2 sind die beiden großflächigen Außenflächen der beiden äußeren Schichtkörper 25, 32 der Baueinheit 28 mit je­ weils einer Deckschicht 34, 34' belegt, die über strichpunk­ tiert angedeutete Fluidkanäle 35 verfügt, welche zur Herstel­ lung interner und externer Verbindungen herangezogen werden können. Insbesondere enthält wenigstens eine der Deckschich­ ten 34, 34' nicht näher dargestellte Anschlußöffnungen, die die Verknüpfung mit weiterführenden Fluidkanälen ermöglichen, die zu einer Druckquelle, einer Drucksenke oder einem oder mehreren Verbrauchern führen.

Claims (19)

1. Mengenverstärkereinrichtung für Fluidströme, mit mindestens einem durch Mikrostrukturierungsverfahren hergestellten, fluidgesteuerten mikromechanischen Mengenverstärker (2), der eine durch zwei Schichtkörper (3, 4) begrenzte Kammer auf­ weist, die von einer beweglichen Steuermembran (6) in einen mit einem Steuerkanal (12) kommunizierenden Steuerraum (7) und einen mit einem Zuströmkanal (13) und einem Abströmkanal (14) kommunizierenden Überströmraum (8) unterteilt ist, wobei die Steuermembran (6) in Abhängigkeit von dem am Steuerkanal (12) anstehenden Steuerdruck in eine den Zuströmkanal (13) und den Abströmkanal (14) verschließende Schließstellung oder eine diese beiden Kanäle freigebende und damit ein Überströ­ men von Fluid zwischen dem Zuströmkanal (13) und dem Abström­ kanal (14) ermöglichende Offenstellung bewegbar ist.

2. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Steuerkanal (12) in dem einen Schicht­ körper (3) und der Zuströmkanal (13) und der Abströmkanal (14) gemeinsam im anderen Schichtkörper (4) ausgebildet sind.

3. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schichtkörper (3, 4) und/oder die Steuermembran (6) als siliziumtechnisch hergestellte Be­ standteile ausgeführt sind.

4. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtkörper (3, 4) und/oder die Steuermembran (6) aus Kunststoffmaterial beste­ hen.

5. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermembran (6) randseitig zwischen den beiden Schichtkörpern (3, 4) festge­ legt ist.

6. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermembran (6) ins­ gesamt biegeelastisch und vorzugsweise folienartig ausgeführt ist.

7. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mehrere zu einer insbesondere blockartigen Verstärkereinheit (16) zusammengefaßte und fluidtechnisch miteinander verknüpfte mikromechanische Men­ genverstärker (2; 2', 2'', 2''').

8. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mehrere mikromechanische Mengen­ verstärker (2; 2', 2'', 2'''), die derart fluidtechnisch mit­ einander verknüpft sind, daß sie zusammen eine über einer 2/2-Schaltfunktion liegende höherwertige Ventilfunktion aus­ üben.

9. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch drei zu einer Dreiwege-Schalt­ funktion verknüpfte mikromechanische Mengenverstärker (2; 2', 2'', 2'''), die beispielsweise eine "normally closed"- oder eine "normally open" -Charakteristik ermöglichen.

10. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch zwei Mengenverstärker (2', 2''), die derart miteinander verknüpft sind, daß der Zuströmkanal (13') des einen Mengenverstärkers (2') mit dem Abströmkanal (14'') des anderen Mengenverstärkers (2'') verbunden ist und beide Kanäle (13', 14'') mit einem gemeinsamen Arbeitskanal (A) kommunizieren, wobei der Steuerkanal (12'') des einen Men­ genverstärkers (2'') über einen Vorsteuerkanal (17) mit dem Abströmkanal (14''') eines Vorsteuer-Mengenverstärkers (2''') verbunden ist, dessen Steuerkanal (12''') zweckmäßigerweise mit dem Steuerkanal (12') des anderen Mengenverstärkers (2') kommuniziert.

11. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkanal (12) min­ destens eines Mengenverstärkers (2) mit einem Entlüftungska­ nal (23, 23') verbunden ist, der ständig offen und mit einem Strömungswiderstand versehen oder mit einem schaltbaren Ab­ sperrventil (24) ausgestattet ist.

12. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 11 in Verbin­ dung mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vor­ steuerkanal (17) mit einem Entlüftungskanal (23, 23') verbun­ den ist.

13. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuerkanal (12, 12''') mindestens eines Mengenverstärkers (2, 2''') minde­ stens ein durch Mikrostrukturierungsverfahren hergestelltes mehrschichtiges mikromechanisches Steuerventil (18) zur Be­ einflussung der Druckbeaufschlagung des Steuerraumes zugeord­ net ist.

14. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Baueinheit (28) mit mindestens einem mikromechanischen Mengenverstärker (2) und mindestens einem mikromechanischen Steuerventil (18) enthält.

15. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 14, gekenn­ zeichnet durch eine Baueinheit (28) mit mehrschichtigem Auf­ bau, wobei eine oder mehrere Schichten vorhanden sind, in de­ nen sowohl ein Schichtkörper (25) eines Mengenverstärkers (2) als auch ein Schichtkörper (32) eines Steuerventils (18) vor­ gesehen sind.

16. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Ebene liegenden Schichtkör­ per (25, 32) von Mengenverstärker (2) und Steuerventil (18) einstückig miteinander ausgebildet sind.

17. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide äußeren Schichtkörper (25, 32) der Baueinheit (28) an ihrer Außensei­ te mit einem Deckschichtkörper (34, 34') versehen sind, der einen oder mehrere Fluidkanäle (35) enthält.

18. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Steu­ erventil (18) über eine 2/2-Schaltfunktion oder über eine 3/2-Schaltfunktion verfügt.

19. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die vorhandenen Bestand­ teile zu einer integrierten Baueinheit zusammengefaßt sind.