DE4227998C2

DE4227998C2 - Micro-miniaturizable valve arrangement

Info

Publication number: DE4227998C2
Application number: DE4227998A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Phys Zengerle; Axel Dipl Ing Richter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1992-08-24
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2012-08-25
Also published as: DE4227998A1; EP0656997A1; WO1994004832A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrominiaturisier bare Ventilanordnung.The present invention relates to a microminiaturized bare valve arrangement.

Bekannte pneumatische Ventile und hydraulische Ventile be stehen aus einer Vielzahl von Komponenten, die typischer weise aus Kunststoffen und Metallen bestehen. Insbesondere bei sogenannten Verstärkerventilen, die mittels eines ver gleichsweise geringen pneumatischen Steuerdruckes einen ho hen Druck schalten können, ergeben sich bei bekannten Ven tilen erhebliche Baugrößen und somit auch hohe Volumina, die bei den bekannten Ventilen zu vergleichsweise langen Schalt zeiten und einem in dynamischer Hinsicht nicht zufrieden stellenden Verhalten führen.Known pneumatic valves and hydraulic valves be consist of a variety of components that are more typical wise consist of plastics and metals. Especially in so-called booster valves, which by means of a ver equally low pneumatic control pressure a ho hen can switch pressure, result in known Ven tile considerable sizes and thus also high volumes in the known valves to comparatively long switching times and not dynamically satisfied leading behavior.

Seit einiger Zeit werden Ventilstrukturen und Mikropumpen auch mit Methoden der Halbleitertechnologie hergestellt. So zeigt beispielsweise die Fachveröffentlichung Sensors und Actuatores 20 (1989), 163 bis 169 ein mittels Photolitho graphischer Verfahren aus Silizium hergestelltes Mikroven til, das auf einem Siliziumwafer mit einem Durchgangsloch für das zu steuerende Fluid angeordnet ist, wobei diese Ven tilstruktur einen beweglichen Ventilkörper umfaßt, der mit tels radial verlaufender Arme, die in einen Befestigungsring übergehen, über dem Durchgangsloch angeordnet ist. Ein Schließen des Durchgangsloches erfolgt durch ein piezoelek trisches Betätigungselement.Valve structures and micropumps have been used for some time also manufactured using methods of semiconductor technology. So shows for example the specialist publication Sensors and Actuatores 20 (1989), 163 to 169 a by means of photolitho graphic method of microven made of silicon til that on a silicon wafer with a through hole is arranged for the fluid to be controlled, this Ven tilstruktur includes a movable valve body which with radially extending arms in a mounting ring pass over the through hole is arranged. A The through hole is closed by a piezoelectric trical actuator.

Aus der Fachveröffentlichung Proceedings of IEEE, MEMS-90, IEEE Katalog Nummer 90CH2832-4, 11. bis 14.02.1990, Napa Valley, Kalifornien: "Micromachined Silicon Microvalve" ist bereits ein elektrostatisch betätigbares Siliziummikroventil bekannt, welches ein Grundteil mit einer Einlaßöffnung um faßt, die konisch zu einer Auslaßöffnung zusammenläuft, oberhalb der in einem geringen Abstand eine elastische Ver schlußplatte aus einem Dielektrikum angeordnet ist. Sowohl die elastische Verschlußplatte als auch der unterhalb dieser Verschlußplatte liegende Dielektrikumbereich haben Elektro denplatten zum elektrostatischen Öffnen und Schließen des so gebildeten Mikroventiles. Die Flußmodulationskurve eines derartigen Mikroventiles in Abhängigkeit von der Steuerspan nung zeigt eine starke Hysterese. Obwohl dieses bekannte Mikroventil eine hohe Haltekraft hat, also in seinem ge schlossenen Zustand auch einer hohen Druckdifferenz von ca. 1000 mbar widersteht, ist es nicht dazu in der Lage, bei hohen Fluiddurchflußströmungsgeschwindigkeiten und Druckdif ferenzen von mehr als 150 mbar in seiner geöffneten Lage durch Anlegen eines elektrischen Steuersignales wieder ge schlossen zu werden. Ein Schließen ist praktisch nur mög lich, wenn die Fluidströmung, die das Mikroventil durch strömt, im wesentlichen auf Null zurückgegangen ist.From the professional publication Proceedings of IEEE, MEMS-90, IEEE catalog number 90CH2832-4, February 11-14, 1990, Napa Valley, California: "Micromachined Silicon Microvalve" is already an electrostatically actuable silicon microvalve known, which is a base part with an inlet opening that conically converges to an outlet opening, above that at a short distance an elastic Ver end plate is arranged from a dielectric. Either the elastic closure plate as well as the one below it Dielectric areas lying closure plate have electrical the plates for the electrostatic opening and closing of the sun formed microvalves. The flow modulation curve of a such micro valves depending on the control chip shows a strong hysteresis. Although this is known Microvalve has a high holding force, i.e. in its ge closed state even with a high pressure difference of approx. Resists 1000 mbar, it is unable to high fluid flow velocities and pressure dif references of more than 150 mbar in its open position ge by applying an electrical control signal to be closed. Closing is practically only possible Lich when the fluid flow through the microvalve flows, has substantially decreased to zero.

Die US 48 26 131 offenbart ein elektrisch steuerbares Ventil, welches mit Methoden der Halbleitertechnologie als Mikroventil implementiert werden kann. Dieses Ventil dient zur elektrischen Steuerung der Fluidverbindung zwischen eingangsseitigen und ausgangsseitigen Öffnungen durch Strombeaufschlagung einer Spule, die zur Betätigung eines mit einem Magnet versehenen Membranbereiches dient. Der Membranbereich kann bei entsprechender Auslenkung zur Ab sperrung einer durch Strömungsöffnung mit einem Gegenkörper zur Anlage gebracht werden. Der Membranbereich hat zur Re duktion der erforderlichen Betätigungskräfte eine Durch strömungsöffnung, um die Fluidbereiche auf der Vorderseite und Rückseite dieser betätigbaren Membran auf ein gleiches Druckniveau zu legen.US 48 26 131 discloses an electrically controllable Valve, which with methods of semiconductor technology as Micro valve can be implemented. This valve serves for electrical control of the fluid connection between openings on the input side and on the output side Current applied to a coil that is used to actuate a membrane area provided with a magnet. Of the The membrane area can with appropriate deflection to Ab blocking a through flow opening with a counter body be brought to the plant. The membrane area has re duction of the required operating forces a through flow opening to the fluid areas on the front and back of this actuatable membrane on the same Pressure level.

Ausgehend von dem dort erörterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung zu schaffen, die mit den Methoden der Mikromechanik hergestellt werden kann, eine kurze Ansprechzeit und ein verbessertes dynamisches Verhalten aufweist und auch hohe Drücke an- und abschalten kann. Based on the prior art discussed there the invention has for its object to a valve assembly create that made with the methods of micromechanics can be a short response time and an improved one exhibits dynamic behavior and also turns high pressures on and off can switch off.

Diese Aufgabe wird durch eine mikrominiaturisierbare Ventil anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This task is accomplished through a microminiaturizable valve arrangement according to claim 1 solved.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt die Ventil anordnung eine Druckausgleichskammer und zwei mit der Druck ausgleichskammer in Fluidströmungsverbindung stehende elek trostatisch gesteuerte Ventile. Ein erstes der elektrosta tisch gesteuerten Ventile ist derart zwischen der Druckaus gleichskammer und einer ersten Fluidleitung angeordnet, daß dieses gegen einen Druck in der ersten Fluidleitung, der höher ist als derjenige in der Druckausgleichskammer, durch Anlegen einer ersten Spannung an elektrisch leitfähige Be reiche dieses ersten elektrostatisch gesteuerten Ventiles in seinem geschlossenen Zustand haltbar ist. Ein zweites der elektrostatisch gesteuerten Ventile ist derart zwischen der Druckausgleichskammer und einer zweiten Fluidleitung ange ordnet, daß dieses gegen einen Druck in der Druckausgleichs kammer, der höher ist als derjenige in der Fluidleitung, durch Anlegen einer zweiten Spannung an leitfähige Bereiche des zweiten elektrostatisch gesteuerten Ventiles in seinem geschlossenen Zustand gehalten werden kann. Durch eine al ternierende Abschaltung der Spannungen, mit denen die beiden elektrostatisch gesteuerten Ventile beaufschlagt werden, kann die Durchströmung des Ventiles von der ersten Fluid leitung in die zweite Fluidleitung wunschgemäß gesteuert werden.According to a first aspect of the invention, the valve comprises arrangement a pressure equalization chamber and two with the pressure compensation chamber in fluid flow connection electrical trostatically controlled valves. The first is the elektrosta table-controlled valves is so between the pressure off equal chamber and a first fluid line arranged that this against a pressure in the first fluid line, the is higher than that in the pressure compensation chamber Applying a first voltage to electrically conductive Be reach this first electrostatically controlled valve in its closed state is durable. A second one electrostatically controlled valves is so between the Pressure compensation chamber and a second fluid line orders that this against a pressure in the pressure equalization chamber that is higher than that in the fluid line, by applying a second voltage to conductive areas of the second electrostatically controlled valve in his closed state can be kept. Through an al ternative shutdown of the voltages with which the two electrostatically controlled valves, can the flow of the valve by the first fluid Line in the second fluid line controlled as desired become.

Gemäß einem bedeutenden Aspekt der Erfindung ist ein Ventil kolben in einer von dem Druck der Druckausgleichskammer be aufschlagbaren Art angeordnet, der in Abhängigkeit von dem Druck in dieser Druckausgleichskammer gegen einen Ventilsitz anlegbar ist, um eine Fluidverbindung zwischen einer dritten und vierten Fluidleitung in steuerbarer Weise zu öffnen und zu schließen. Bei dieser Struktur des mikrominiaturisierba ren Ventiles kann die erste Fluidleitung mit einem Steuer druck beaufschlagt werden und die zweite Fluidleitung zur Entlüftung der Druckausgleichskammer dienen. Entsprechend der elektrischen Steuersignale für die beiden elektrostatisch gesteuerten Ventile kann der Druck in der Druckausgleichs kammer auf ein wählbares Druckniveau zwischen dem Steuer druck und dem Entlüftungsdruck in der ersten bzw. zweiten Fluidleitung eingestellt werden, so daß also durch geeignete elektrische Ansteuerung der beiden elektrostatisch gesteu erten Ventile die Fluidverbindung zwischen der dritten und vierten Fluidleitung wunschgemäß in steuerbarer Weise geöff net und geschlossen werden kann.According to an important aspect of the invention is a valve piston in one of the pressure of the pressure compensation chamber openable type arranged depending on the Pressure in this pressure compensation chamber against a valve seat can be applied to a fluid connection between a third and fourth fluid line in a controllable manner and open close. With this structure of the mikrominiaturisierba Ren valves can the first fluid line with a control be pressurized and the second fluid line to Vent the pressure compensation chamber. According to the electrical control signals for the two electrostatic controlled valves can equalize the pressure in the pressure chamber to a selectable pressure level between the steering wheel pressure and the vent pressure in the first and second Fluid line can be set so that by suitable electrical control of the two electrostatically controlled erten valves the fluid connection between the third and fourth fluid line as desired in a controllable manner net and can be closed.

Bei geeigneter Dimensionierung der druckausgleichskammer seitigen Fläche des Ventilkolbens bezogen auf die Fläche, die sich im Bereich eines Ventilsitzes zwischen der dritten und vierten Fluidleitung ergibt, ermöglicht die erfindungs gemäße mikrominiaturisierbare Ventilanordnung eine Verstär kungswirkung dahingehend, daß mit einem vergleichsweise niedrigen Steuerdruck in der ersten Fluidleitung vergleichs weise hohe Drücke in der dritten und vierten Fluidleitung gesteuert werden können.With suitable dimensioning of the pressure compensation chamber side surface of the valve piston in relation to the surface, which is in the area of a valve seat between the third and fourth fluid line results, enables the fiction according microminiaturisable valve arrangement an amplifier effect that a comparative low control pressure in the first fluid line wise high pressures in the third and fourth fluid line can be controlled.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierba ren Ventiles sind in den Unteransprüchen angegeben.Developments of the inventive microminiaturization Ren valves are specified in the subclaims.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:Below are with reference to the accompanying Drawings preferred embodiments of the present Invention explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer ersten Aus führungsform der erfindungsgemäßen, mikromi niaturisierbaren Ventilanordnung; Figure 1 is a cross-sectional view of a first imple mentation form of the microminiaturizable valve assembly according to the invention.

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines elektrosta tisch gesteuerten Ventiles, das bei der erfindungsgemäßen mikrominiaturisierbaren Ventilanordnung einsetzbar ist; Fig. 2 shows a first embodiment of an electrostatically controlled valve which can be used in the microminiaturizable valve arrangement according to the invention;

Fig. 3a bis 3d eine zweite bis fünfte Ausführungsform des elektrostatisch gesteuerten Mikroventiles, welches bei der erfindungsgemäßen Ventilan ordnung einsetzbar ist;3a a second to fifth embodiments of the electrostatically controlled micro valve which order in the inventive Ventilan Figure 3d to be used.

Fig. 4 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungs gemäßen, mikrominiaturisierbaren Mikroventil anordnung; FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 1 of a second embodiment of the micro-miniaturizable microvalve arrangement according to the invention;

Fig. 5 eine weitere, der Fig. 1 entsprechende Dar stellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventilanordnung; Fig. 5 shows another, corresponding to Fig 1 Dar position of a third embodiment of the microminiaturizable valve assembly according to the invention;

Fig. 6 eine weitere, der Fig. 1 entsprechende Dar stellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventilanordnung; Fig. 6 shows another, corresponding to Fig 1 Dar position of a fourth embodiment of the microminiaturizable valve assembly according to the invention;

Fig. 7 eine weitere, der Fig. 1 entsprechende Dar stellung einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventilanordnung; und Fig. 7 shows another, corresponding to Fig 1 Dar position of a fifth embodiment of the microminiaturizable valve assembly according to the invention; and

Fig. 8 eine fünfte Ausführungsform der erfindungs gemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventilanord nung. Fig. 8 shows a fifth embodiment of the Invention, microminiaturizable Ventilanord voltage.

Wie insbesondere in Fig. 1 zu sehen ist, umfaßt das dort ge zeigte erste Ausführungsbeispiel einer mikrominiaturisierten Ventil, das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, drei übereinander angeordnete und mitein ander fest verbundene, im wesentlichen plattenförmige Körper K1, K2, K3. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die drei Körper K1, K2, K3 durch Siliziumwafer gebildet. Der erste und zweite Körper K1, K2 sind elektrisch leitend mit einander verbunden. Der dritte Körper K3 ist gegenüber dem zweiten Körper K2 elektrisch isoliert. Diese elektrische Isolation wird vorzugsweise dadurch realisiert, daß der dritte Körper K3 auf seiner dem zweiten Körper K2 zuge wandten Seite mit einer Isolationsschicht ganz flächig über zogen ist. Die Isolationsschicht kann aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen. Der zweite und dritte Körper K2, K3 sind vorzugsweise nur sehr gering oder überhaupt nicht von einander beabstandet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbei spiel sind diese beiden Körper K2, K3 durch anodisches Bon den über eine elektrisch isolierende Pyrex-Zwischenschicht verbunden. Gleichfalls ist es möglich, die beiden Körper K2, K3 in einer plan aufeinanderliegenden Anordnung seitlich zu verkleben.As can be seen in particular in Fig. 1, the ge showed there first embodiment of a microminiaturized valve, which is designated in its entirety with the reference numeral 1 , three superimposed and firmly connected to each other, substantially plate-shaped body K1, K2, K3 . In the preferred embodiment, the three bodies K1, K2, K3 are formed by silicon wafers. The first and second bodies K1, K2 are connected to one another in an electrically conductive manner. The third body K3 is electrically insulated from the second body K2. This electrical insulation is preferably realized in that the third body K3 on its side facing the second body K2 is covered with an insulation layer all over. The insulation layer can consist of silicon oxide or silicon nitride. The second and third bodies K2, K3 are preferably only very slightly or not at all spaced from one another. In a preferred embodiment, these two bodies K2, K3 are connected by anodic receptacle via an electrically insulating pyrex intermediate layer. It is also possible to glue the two bodies K2, K3 laterally in a flat arrangement.

Der erste und/oder der zweite Körper K1, K2 sind mittels photolithographischer Ätzverfahren derart strukturiert, daß sie miteinander eine Druckausgleichskammer 2 festlegen.The first and / or the second body K1, K2 are structured by means of photolithographic etching processes in such a way that they define a pressure compensation chamber 2 with one another.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Druckausgleichs kammer 2 in den ersten Körper K1 durch Ätzen eingeformt. Für den Fachmann auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie ist es jedoch offenkundig, daß der erste Körper K1 auch als ebene Platte ausgeführt sein kann, wenn die Druckausgleichskammer 2 in die dem ersten Körper K1 zugewandte Seite des zweiten Körpers K2 eingeätzt ist.In the embodiment shown, the pressure compensation chamber 2 is formed in the first body K1 by etching. However, it is obvious to a person skilled in the field of semiconductor technology that the first body K1 can also be designed as a flat plate if the pressure compensation chamber 2 is etched into the side of the second body K2 facing the first body K1.

An dem dritten Körper K3 sind auf dessen dem zweiten Körper K2 abgewandten Seite vier Fluidleitungen L1, L2, L3, L4 be festigt. Die Befestigung der Fluidleitungen kann mittels eines geeigneten Klebers erfolgen. Das gesamte Ventil kann allerdings auch in ein spezielles Gehäuse eingepaßt werden, welches sowohl die Verbindung der elektrischen Anschlüsse, als auch die Verbindung mit den Fluidanschlüssen herstellt.On the third body K3 are on the second body K2 side facing four fluid lines L1, L2, L3, L4 be consolidates. The fluid lines can be attached by means of a suitable adhesive. The entire valve can but can also be fitted into a special housing, which is both the connection of the electrical connections, as well as the connection to the fluid connections.

In der Fluidverbindung zwischen der Druckausgleichskammer 2 und der ersten sowie zweiten Fluidleitung L1, L2 liegen zwei elektrostatisch gesteuerte Ventile 3, 4. Das erste elektro statisch gesteuerte Ventil 3 ist derart angeordnet, daß die ses einen Druck in der ersten Fluidleitung L1, der höher ist als derjenige in der Druckausgleichskammer 2, durch Anlegen einer ersten Spannung U1 an elektrisch leitfähige Bereiche (vergleiche Fig. 2) des Ventiles in einem geschlossenen Zustand haltbar ist. Das zweite elektrostatisch gesteuerte Ventil 4 ist bezogen auf die Einbaulage des ersten elektro statisch gesteuerten Ventiles 3 derart umgekehrt angeordnet, daß dieses gegen den Druck in der Druckausgleichskammer 2, der höher ist als derjenige in der zweiten Fluidleitung L2, durch Anlegen einer zweiten Spannung U2 an leitfähige Bereiche (vergleiche Fig. 2) des zweiten Ventiles in einem geschlossenen Zustand haltbar ist. Wie aus der Gesamtschau der Fig. 1 und 2 deutlich zu erkennen ist, haben das erste und das zweite elektrostatisch gesteuerte Ventil 3, 4 je weils einen beweglichen Ventilbereich, der hier als Ventil klappe 5 ausgeführt ist, welche eine Öffnung 6 in einem benachbarten, feststehenden Flächenbereich 7 des jeweils benachbarten Körpers K1 bzw. K2 überdeckt. Der zweite und dritte Körper K2, K3 sind, wie bereits erwähnt wurde, von Isolationsschichten 9, 10 umgeben.Two electrostatically controlled valves 3 , 4 are located in the fluid connection between the pressure compensation chamber 2 and the first and second fluid lines L1, L2. The first electrostatically controlled valve 3 is arranged such that this pressure in the first fluid line L1, which is higher than that in the pressure compensation chamber 2 , by applying a first voltage U1 to electrically conductive areas (see Fig. 2) of the valve is durable when closed. The second electrostatically controlled valve 4 is arranged in relation to the installation position of the first electrostatically controlled valve 3 in such a way that it turns against the pressure in the pressure compensation chamber 2 , which is higher than that in the second fluid line L2, by applying a second voltage U2 conductive areas (see Fig. 2) of the second valve is stable in a closed state. As can be clearly seen from the overall view of FIGS . 1 and 2, the first and the second electrostatically controlled valve 3 , 4 each have a movable valve area, which is designed here as a valve flap 5 , which has an opening 6 in an adjacent, fixed surface area 7 of the respective adjacent body K1 or K2 covers. As already mentioned, the second and third bodies K2, K3 are surrounded by insulation layers 9 , 10 .

Der zweite Körper K2 weist an seinem dem dritten Körper K3 zugewandten, feststehenden Flächenbereich 7 im Bereich der Öffnung 6 eine erste Elektrode in Form einer Metallisierung 11 auf.The second body K2 has on its fixed surface area 7 facing the third body K3 in the area of the opening 6 a first electrode in the form of a metallization 11 .

Die Ventilklappe 5 hat zumindest an ihrer dem feststehenden Flächenbereich 7 des zweiten Körpers K2 gegenüberliegenden Seite eine vorzugsweise außerhalb der Isolationsschicht 10 angeordnete zweite Elektrode, die gleichfalls eine Metal lisierung sein kann. An diese beiden Elektroden 11, 12 wird die Steuerspannung U1, U2 angelegt, mit der die Ventilklappe 5 elektrostatisch in einer gegen die Öffnung 6 abdichtend anliegenden Lage gehalten werden kann.The valve flap 5 has, at least on its side opposite the fixed surface area 7 of the second body K2, a second electrode which is preferably arranged outside the insulation layer 10 and which can likewise be a metalization. The control voltage U1, U2, by means of which the valve flap 5 can be held electrostatically in a position sealing against the opening 6 , is applied to these two electrodes 11 , 12 .

Das erste elektrostatisch gesteuerte Ventil 3 unterscheidet sich von dem soeben beschriebenen zweiten elektrostatisch gesteuerten Ventil 4 nur dadurch, daß dieses in umgekehrter Lage durch den zweiten und dritten Körper K2, K3 gebildet ist, wobei also der Körper K2 eine Ventilklappe 13 bildet, während der dritte Körper K3 die gegenüberliegende Öffnung 14 definiert.The first electrostatically controlled valve 3 differs from the second electrostatically controlled valve 4 just described only in that it is formed in the opposite position by the second and third bodies K2, K3, so that the body K2 forms a valve flap 13 while the third Body K3 defines the opposite opening 14 .

Der zweite Körper K2 hat eine sich von seiner einen Haupt fläche bis fast an seine andere Hauptfläche erstreckende Ausnehmung 15 zur Bildung einer Membran 16, deren Mittelteil vorzugsweise einen von der Ausnehmung 15 umgebenen Ventil kolben 17 bildet. Der Ventilkolben 17 ist durch die Membran 16 federnd aufgehängt.The second body K2 has a recess 15 extending from its one main surface to almost its other main surface to form a membrane 16 , the central part of which preferably forms a valve piston 17 surrounded by the recess 15 . The valve piston 17 is resiliently suspended by the membrane 16 .

Der dritte Körper K3 hat eine mittige Durchgangsöffnung 18 in Gegenüberlage zu dem Ventilkolben 17, wodurch der die Durchgangsöffnung 18 umgebende Bereich des Körpers K3, der dem Ventilkolben 17 benachbart ist, einen Ventilsitz 19 festlegt. Der dritte Körper K3 weist eine weitere Durch gangsöffnung 19 auf, die sich von der dritten Fluidleitung L3 bis zu der Ausnehmung 15 in dem zweiten Körper K2 er streckt. In der ersten Steuerleitung L1 herrscht der Steuer druck p1, in der zweiten Fluidleitung L2 besteht ein Ent lüftungsdruck p4, in der dritten Fluidleitung L3 herrscht ein Zuluftdruck p2, während in der vierten Fluidleitung L4 ein Abluftdruck p3 vorliegt. An die vierte Fluidleitung kann ein Gefäß angeschlossen sein, dessen Druck durch das Ventil 1 gesteuert werden soll.The third body K3 has a central through opening 18 opposite to the valve piston 17 , as a result of which the region of the body K3 surrounding the through opening 18 , which is adjacent to the valve piston 17 , defines a valve seat 19 . The third body K3 has a further through opening 19 which it extends from the third fluid line L3 to the recess 15 in the second body K2. The control pressure p1 prevails in the first control line L1, there is a venting pressure p4 in the second fluid line L2, there is a supply air pressure p2 in the third fluid line L3, while an exhaust air pressure p3 is present in the fourth fluid line L4. A vessel, the pressure of which is to be controlled by valve 1, can be connected to the fourth fluid line.

Bevor die Funktionsweise des Ventiles 1 gemäß Fig. 1 erläu tert wird, soll zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 2 die Funktionsweise des bei dem Ventil 1 verwendeten elektro statisch gesteuerten Ventiles 3, 4 erläutert werden.Before the operation of the valve 1 according to FIG. 1 is explained, the operation of the electrostatically controlled valve 3 , 4 used in the valve 1 will first be explained with reference to FIG. 2.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung U zwischen der zweiten Elektrode 12, der Klappe 5 und der gegenüberliegen den Elektrode 11 an dem feststehenden Flächenbereich 7 des zweiten Körpers K2 wird die Klappe 5 mit dem elektrostati schen Druck p auf den gegenüberliegenden Flächenbereich 7 gedrückt. Für die kondensatorähnliche Anordnung errechnet sich p folgendermaßen: By applying an electrical voltage U between the second electrode 12 , the flap 5 and the opposite electrode 11 on the fixed surface area 7 of the second body K2, the flap 5 is pressed with the electrostatic pressure p onto the opposite surface area 7 . For the capacitor-like arrangement, p is calculated as follows:

In dieser Gleichung bezeichnet ε1 die relative Dielektri zitätskonstante des Isolatormediums und d die Dicke des Dielektrikums. Im Falle einer ca. 1 µm dicken Siliziumoxid schicht als Isolation lassen sich bei Spannungen um 30 Volt elektrostatische Drücke im Bereich von einigen hundert mbar erzeugen.In this equation, ε1 denotes the relative dielectric constant of the insulator medium and d the thickness of the Dielectric. In the case of an approx. 1 µm thick silicon oxide layer as insulation at voltages around 30 volts electrostatic pressures in the range of a few hundred mbar produce.

Die Klappe 5 kann durch Anlegen einer Spannung gegenüber einem Überdruck auf der Seite der Öffnung 6 geschlossen ge halten werden, bis Kräftegleichgewicht herrscht. Hierbei gilt:The flap 5 can be kept closed by applying a voltage to an overpressure on the side of the opening 6 until there is a balance of forces. The following applies:

(p1-p4) F1 = p · F2(p1-p4) F1 = p * F2

In dieser Gleichung bezeichnet F1 die Fläche der Öffnung 6 und F2 diejenige Fläche der Ventilklappe 5, die über die Öffnung 6 hinausgeht.In this equation, F1 denotes the area of the opening 6 and F2 the area of the valve flap 5 which extends beyond the opening 6 .

Je nach dem Verhältnis der Flächen F2/F1 kann der elektro statische Druck von einigen hundert Millibar deutlich höhere pneumatische Druckdifferenzen (p1-p4) abblocken.Depending on the ratio of the areas F2 / F1, the electro static pressure of several hundred millibars significantly higher Block pneumatic pressure differences (p1-p4).

Schaltet man die Spannung U ab, so biegt sich die Klappe 5 von dem feststehenden Flächenbereich 7 weg, so daß ein Fluid (Luft oder ein isolierendes Hydraulikmedium) das elektrosta tisch gesteuerte Ventil 3, 4 passieren kann.Turning off the voltage U, the flap 5 bends away from the fixed surface area 7 , so that a fluid (air or an insulating hydraulic medium) can pass the electrostatically controlled valve 3 , 4 .

Ausgehend von der Funktionsweise der elektrostatisch gesteu erten Ventile 3, 4 soll nunmehr die Funktion des Ventiles 1 (Fig. 1) erläutert werden. Bei geschlossenem elektrostatisch gesteuertem Ventil 4 auf der Entlüftungsseite, als der Seite der zweiten Fluidleitung L2, kann man durch Abschalten der Spannung U1 das elektrostatisch gesteuerte Ventil 3 auf der Steuerdruckseite, d. h. der Seite der ersten Fluidleitung L1 öffnen, was einen Gasfluß bzw. allgemein einen Fluidfluß in die Druckausgleichskammer 2 zur Folge hat, bis Druckaus gleich erreicht ist. In diesem Stadium läßt sich das elektrostatisch gesteuerte Ventil 3 wieder schließen und elektrostatisch durch Anlegen der Spannung U1 halten.Based on the functioning of the electrostatically controlled valves 3 , 4 , the function of the valve 1 ( FIG. 1) will now be explained. When the electrostatically controlled valve 4 on the vent side, as the side of the second fluid line L2, is closed, the electrostatically controlled valve 3 on the control pressure side, ie the side of the first fluid line L1, can be opened by switching off the voltage U1, which means a gas flow or generally a Fluid flow in the pressure compensation chamber 2 has the consequence until Druckaus equal is reached. At this stage, the electrostatically controlled valve 3 can be closed again and held electrostatically by applying the voltage U1.

Durch ein Abschalten der Spannung U2 an dem zweiten elektro statisch gesteuerten Ventil 4 bei geschlossenem Zustand des ersten elektrostatisch gesteuerten Ventiles 3 läßt sich die Druckausgleichskammer 2 entlüften bzw. auf das niedrigere Druckniveau p4 innerhalb der zweiten Fluidleitung L2 brin gen. Nach erfolgtem Druckausgleich läßt sich dieses elektro statisch gesteuerte Ventil 4 durch Anlegen der Spannung U2 wieder schließen, woraufhin der Zyklus von neuem beginnen kann. Um eine möglichst hohe Betriebsfrequenz erreichen zu können, sollte das Volumen der Druckausgleichskammer 2 mög lichst gering sein.By switching off the voltage U2 on the second electrostatically controlled valve 4 in the closed state of the first electrostatically controlled valve 3, the pressure compensation chamber 2 can bleed or gene to the lower pressure level p4 within the second fluid line L2 brin. After pressure equalization can this Close the electrostatically controlled valve 4 again by applying the voltage U2, whereupon the cycle can start again. In order to be able to achieve the highest possible operating frequency, the volume of the pressure compensation chamber 2 should be as small as possible.

Um das Ventil 1 gegen den Gegendruck geschlossen zu halten, ist keine elektrische Leistung erforderlich, da eine Lei stungsaufnahme nur während des Schaltvorganges erfolgt.In order to keep the valve 1 closed against the counter pressure, no electrical power is required, since a power consumption only takes place during the switching process.

Wenn in der dritten Fluidleitung L3 ein Überdruck p2 gegen über dem Druck p3 in der vierten Fluidleitung herrscht und sich die Druckausgleichskammer 2 unter dem Steuerdruck p1 von der ersten Fluidleitung L1 befindet, so wird der Ventil kolben 17 auf den Ventilsitz 19 der Abluftdurchgangsöffnung 18 gepreßt, so daß das pneumatische Ventil 1 geschlossen ist.If there is an overpressure p2 in the third fluid line L3 compared to the pressure p3 in the fourth fluid line and the pressure compensation chamber 2 is under the control pressure p1 from the first fluid line L1, the valve piston 17 is pressed onto the valve seat 19 of the exhaust air passage opening 18 , so that the pneumatic valve 1 is closed.

Wenn nun das zweite elektrostatisch gesteuerte Ventil 4 auf der Entlüftungsseite durch Abschalten der Spannung U2 ge öffnet wird, so reduziert sich der Druck in der Druckaus gleichskammer 2 vom Druck p1 auf den Druck p4. Der Ventil kolben 17 wird durch die Druckdifferenz von der Kolben unterseite und Kolbenoberseite nach oben ausgelenkt. Nun sind die dritte und vierte Fluidleitung L3, L4 miteinander verbunden, so daß also das Ventil 1 geöffnet ist.If the second electrostatically controlled valve 4 on the venting side is opened by switching off the voltage U2, the pressure in the pressure compensation chamber 2 is reduced from the pressure p1 to the pressure p4. The valve piston 17 is deflected by the pressure difference from the piston bottom and piston top up. Now the third and fourth fluid lines L3, L4 are connected to one another so that the valve 1 is open.

Bei der Betriebsart eines solchen Ventils lassen sich prin zipiell zwei unterschiedliche Fälle unterscheiden:
In einer ersten Betriebsart kann der Druck in den Fluidlei tungen L3 und L4 jeweils konstant sein, so daß mit dem Ven til ein bestimmter, stationärer Fluid-Durchfluß geschaltet werden kann. Wenn dieser Betriebsfall vorliegt, so sind für die Berechnung des Steuerdrucks P1 keine zeitlich variablen Drücke notwendig, und das Ventil kann dadurch geschaltet werden, daß der Druck in der Druckausgleichskammer mittels den beiden elektrostatisch gesteuerten Ventilen zwischen Steuerdruck P1 und Entlüftungsdruck P4 geschaltet wird.In the operating mode of such a valve, there are basically two different cases:
In a first operating mode, the pressure in the fluid lines L3 and L4 can be constant, so that a certain, stationary fluid flow can be switched with the valve. If this operating case is present, no time-variable pressures are necessary for the calculation of the control pressure P1, and the valve can be switched by switching the pressure in the pressure compensation chamber between the control pressure P1 and the venting pressure P4 by means of the two electrostatically controlled valves.

In einer zweiten Betriebsart kann beispielsweise an die Fluidleitung L4 ein abgeschlossenes Behältnis angeschlossen sein, in dem der Druck durch das oben beschriebene Ventil vom Anfangsdruck P3 auf den höheren Enddruck P2 gesteigert wird. Der Druck in einer der beiden Fluidleitungen L3 oder L4 ist dabei also ebenso wie der Druckfluß mit der Zeit variabel. Um den Druck in dem Behältnis wieder auf P3 redu zieren zu können und somit den Ausgangszustand wieder errei chen zu können, ist also ein zweites Ventil notwendig. Die Zuluftleitung L3 des zweiten Ventils wird mit dem Behältnis verbunden und durch das Öffnen des zweiten Ventils kann das Behältnis wieder entlüftet werden. Der Ausgangszustand ist also wiederhergestellt. Für die Größe des Steuerdrucks, der die jeweiligen Ventile wieder schließen muß, sind die varia blen Drücke in den Fluidleitungen L3 und L4 jeweils zu be rücksichtigen.In a second operating mode, for example, the Fluid line L4 connected to a closed container be where the pressure is through the valve described above increased from the initial pressure P3 to the higher final pressure P2 becomes. The pressure in one of the two fluid lines L3 or L4 is like pressure flow with time variable. To reduce the pressure in the container back to P3 to be able to decorate and thus regain the initial state Chen, a second valve is necessary. The Supply air line L3 of the second valve is with the container connected and by opening the second valve that can Be vented again. The initial state is so restored. For the size of the control pressure, the the respective valves must close again are the varia pressure in fluid lines L3 and L4 take into account.

Je nach Dimensionierung der Fläche A₃ der Abluftdurchgangs öffnung 18 und der Fläche A₁ der Membran 16 läßt sich das in Fig. 1 gezeigte einfache logische Element als einfacher Schalter betreiben, bei dem der Steuerdruck p1 und der Zu luftdruck p2 identisch sind, oder auch als Verstärkerelement betreiben, bei dem man mit einem geringen Steuerdruck p1 einen großen Zuluftdruck p2 schalten kann. Zum Schalten des Ventiles ist ein Mindestschaltdruck p1_min erforderlich. Es gilt:Depending on the dimensioning of the area A₃ of the exhaust air passage opening 18 and the area A₁ of the membrane 16 , the simple logic element shown in FIG. 1 can be operated as a simple switch in which the control pressure p1 and the air pressure p2 are identical, or as an amplifier element operate in which you can switch a large supply air pressure p2 with a low control pressure p1. A minimum switching pressure p1 _{min is} required to switch the valve. The following applies:

mit A₁ = A₃ + A₂with A₁ = A₃ + A₂

Bei der Wahl der Flächen A₃, A₁ ist man auf einen Bereich A₃ kleiner als A₁ beschränkt, woraus aufgrund der obigen Gleichung zu entnehmen ist, daß der Steuerdruck p1 min immer größer sein muß als der Abluftdruck p3. Andererseits läßt sich auch erkennen, daß der minimale Steuerdruck p1 min durch geeignete Wahl der Flächen A₁, A₃ deutlich geringer sein kann als der zu schaltende Zuluftdruck p2, woraus sich die beschriebene Verstärkungsfunktion ergibt.When choosing the areas A₃, A₁ you are on an area A₃ smaller than A₁ limited, due to the above It can be seen from the equation that the control pressure p1 min always must be greater than the exhaust air pressure p3. On the other hand, lets also recognize that the minimum control pressure p1 min by suitable choice of the areas A₁, A₃ significantly lower can be than the supply air pressure to be switched p2, which results in the amplification function described results.

Die elektrostatisch gesteuerten Ventile 3, 4 sind nicht auf die in Fig. 2 gezeigte Form beschränkt. In den Fig. 3a bis 3d sind Varianten elektrostatisch gesteuerter Ventile gezeigt, bei denen die in Fig. 3a gezeigte Ausführungsform eine glatt an dem feststehenden Flächenbereich 7 anliegende Ventilklappe 5 hat. Anstelle der Klappe 5 gemäß Fig. 3a kann ein zweiseitig eingespannter Balken (nicht dargestellt) verwendet werden. Der feststehende Flächenbereich 7 kann, wie dies in Fig. 3b gezeigt ist, durch entsprechende Ober flächenausnehmungen 21 festgelegte Auflagestege 20 haben, an denen die Ventilklappe 5 anliegt. Durch diese Ausgestaltung läßt sich die Gefahr der Verschmutzung reduzieren und ein günstigerer Durchflußwiderstand des elektrostatisch gesteu erten Ventiles erreichen. Die Absenkung der Oberflächenaus nehmungen 21 sollte allerdings nicht tiefer als 1 Ìm sein, um den erzeugbaren elektrostatischen Druck nicht zu stark zu vermindern.The electrostatically controlled valves 3 , 4 are not limited to the shape shown in FIG. 2. In Figs. 3a to 3d variants are shown electrostatically controlled valves in which the fitting has a smooth surface on the fixed region 7 valve flap 5 in Fig. 3a embodiment shown. Instead of the flap 5 according to FIG. 3a, a bar (not shown) clamped on two sides can be used. The fixed surface area 7 can, as shown in Fig. 3b, by corresponding upper surface recesses 21 fixed support webs 20 against which the valve flap 5 rests. This configuration can reduce the risk of contamination and achieve a more favorable flow resistance of the electrostatically controlled valve. The lowering of the recesses 21 in the surface should not, however, be deeper than 1 μm in order not to reduce the electrostatic pressure that can be generated too much.

Ebenfalls ist es möglich, anstelle der Klappe 5 eine Membran 22 auszubilden, die eine mittige Membranversteifung 23 um fassen kann. Bei dieser Ausgestaltung wird man Öffnungen 24 in der Membran beabstandet zu der Öffnung 6 in dem Gegen körper anordnen. Entsprechend der Ausgestaltung der Fig. 3b kann auch bei dieser membranartigen Ausführung des bewegli chen Ventilbereiches eine Oberflächenausnehmung 25 vorgese hen sein.It is also possible to form a membrane 22 instead of the flap 5 , which can hold a central membrane reinforcement 23 . In this embodiment, openings 24 in the membrane will be spaced apart from the opening 6 in the counter body. According to the configuration of FIG. 3b, a surface recess 25 can also be provided in this membrane-like embodiment of the movable valve region.

Eine zweite Ausführungsform des Ventiles 1 ist in Fig. 4 dargestellt. Mit der Ausführungsform der Fig. 1 übereinstim mende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß deren nochmalige Beschreibung entfallen kann. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 hat die Ausnehmung 15′ eine vergrößerte Lateralerstreckung, wodurch die Lateralerstrec kung des Ventilkolbens 17′ entsprechend vermindert ist. Hierdurch ergeben sich breitere Membranbereiche 16′.A second embodiment of the valve 1 is shown in FIG. 4. 1 with the embodiment of Fig. Parts are designated by the same reference numerals, so that their repeated description can be omitted. In the embodiment according to FIG. 4, the recess 15 'has an enlarged lateral extent, as a result of which the lateral extension of the valve piston 17 ' is correspondingly reduced. This results in wider membrane areas 16 '.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel des Ventiles 1 gemäß Fig. 5 unterscheidet sich dadurch von dem ersten Ausfüh rungsbeispiel gemäß Fig. 1, daß hier die Membran 16′′ ge genüber der dem ersten Körper K1 zugewandten Hauptfläche des zweiten Körpers K2 durch eine Flächenausnehmung 26 rückge setzt ist. Entsprechend ist die Ausnehmung 15′′, die den Ventilkolben 17′′ umschließt, mit geringerer Tiefe ausge führt.In the third embodiment of the valve 1 according to FIG. 5 differs from the first embodiment according to FIG. 1 in that here the membrane 16 '' is set back against the main surface of the second body K2 facing the first body K1 through a surface recess 26 is. Accordingly, the recess 15 '', which surrounds the valve piston 17 '', leads out with a smaller depth.

Die nachfolgend erläuterte vierte Ausführungsform des er findungsgemäßen Ventiles stimmt mit Ausnahme der nachfolgend erläuterten Unterschiede mit der zweiten Ausführungsform überein, so daß auch hier übereinstimmende Bezugszeichen der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 4 und der vierten Ausfüh rungsform gemäß Fig. 6 gleiche Teile bezeichnen. Bei dieser Ausführungsform des Ventiles 1 weist der dritte Körper K3 im Bereich des Ventilsitzes 19 eine Ringausnehmung 28 auf, die einen schmalen Auflagerand 27 für den Ventilkolben 17′ fest legt. Dieser schmale Auflagerand 27 verringert nicht nur die Anfälligkeit des Ventiles 1 gegenüber Verunreinigungen, son dern bewirkt insbesondere eine klare Definition derjenigen Fläche A₂, über die der Druck p2 wirkt, in Abgrenzung zu derjenigen Fläche A₃, über die der Druck p3 wirkt. Mit den so definierten Flächen A₁, A₂, A₃ läßt sich die Kräftebilanz, die auf den Ventilkolben 17′ einwirkt, in Abhängigkeit von den Drücken p1, p2, p3 und p4 sowie den genannten Flächen aufstellen.The fourth embodiment of the inventive valve explained below agrees with the second embodiment with the exception of the differences explained below, so that here, too, the same reference numerals of the second embodiment according to FIG. 4 and the fourth embodiment according to FIG. 6 designate the same parts. In this embodiment of the valve 1 , the third body K3 in the region of the valve seat 19 has an annular recess 28 which defines a narrow support edge 27 for the valve piston 17 '. This narrow support edge 27 not only reduces the susceptibility of the valve 1 to contamination, but in particular causes a clear definition of that area A₂ over which the pressure p2 acts, in contrast to that area A₃ over which the pressure p3 acts. With the areas A₁, A₂, A₃ defined in this way, the balance of forces acting on the valve piston 17 'can be set up as a function of the pressures p1, p2, p3 and p4 and the areas mentioned.

Derjenige Druck p_ausgleich, der in der Druckausgleichskammer 2 herrscht, für den sich der Ventilkolben 17′ weder nach oben noch nach unten bewegt, errechnet sich folgendermaßen:The pressure p _compensation that prevails in the pressure compensation chamber 2 , for which the valve piston 17 'does not move up or down, is calculated as follows:

p_ausgleich·A₁ = p3·A₃ + p2·A₂p _compensation · A₁ = p3 · A₃ + p2 · A₂

Für die Flächen A₁, A₂ und A₃ gilt folgender Zusammenhang:The following relationship applies to areas A₁, A₂ and A₃:

A₁ = A₂ + A₃A₁ = A₂ + A₃

Ist der momentane Druck p in der Druckausgleichskammer grö ßer als der Gleichgewichtsdruck p_ausgleich, der sich aus der obigen Gleichung ergibt, so wird der Ventilkolben 17′ auf die Abluftöffnung 18 gegen den Auflagerand 27 gedrückt und die Verbindung zwischen Abluft, d. h. der vierten Fluid leitung L4, und Zuluft, d. h. der dritten Fluidleitung L3, unterbrochen. Anderenfalls besteht eine Verbindung zwischen der dritten und vierten Fluidleitung L3, L4.If the instantaneous pressure p in the pressure compensation chamber is greater than the equilibrium pressure p _compensation , which results from the above equation, the valve piston 17 'is pressed onto the exhaust air opening 18 against the bearing edge 27 and the connection between exhaust air, ie the fourth fluid line L4, and supply air, ie the third fluid line L3, interrupted. Otherwise there is a connection between the third and fourth fluid lines L3, L4.

Bei festem Zuluftdruck p2 und festem Abluftdruck p3 müssen der Steuerdruck p1 und der Entlüftungsdruck p4 folgenden Kriterien genügen:With a fixed supply air pressure p2 and a fixed exhaust air pressure p3 the control pressure p1 and the venting pressure p4 follow Criteria are sufficient:

p4·A₁ < p3·A₃ + p2·A₂ (Kriterium für offenes Ventil)p4 · A₁ <p3 · A₃ + p2 · A₂ (criterion for open valve)

p3·A₃ + p2·A₂ < p1·A₁ (Kriterium für geschlossenes Ventil)p3 · A₃ + p2 · A₂ <p1 · A₁ (criterion for closed valve)

Insgesamt gilt also:Overall, the following applies:

p4 < p3 (A₃/A₁) + p2 (A₂/A₁) < p1p4 <p3 (A₃ / A₁) + p2 (A₂ / A₁) <p1

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die dritte Fluidleitung L3 für die Zuluft vorgesehen, während die vierte Fluidleitung L4 für die Abluft dient. Ferner ist aus Platzgründen die Fläche A2 in der Regel deutlich größer als die Fläche A3. Für diesen Fall ergibt sich ein noch gün stigeres Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Ventils 1, wenn die Zuluft durch die vierte Fluidleitung L4 zugeführt wird und die dritte Fluidleitung L3 als Abluftleitung ver wendet wird. In diesem Fall ergibt sich bei unveränderten Verhältnissen der Flächen A₂ und A₃ zueinander eine höhere Verstärkungswirkung, d. h. die Schaltbarkeit eines höheren Zuluftdruckes in der vierten Fluidleitung L4 bezogen auf den Steuerdruck p1.In the exemplary embodiments described above, the third fluid line L3 is provided for the supply air, while the fourth fluid line L4 is used for the exhaust air. Furthermore, for reasons of space, area A2 is generally significantly larger than area A3. In this case, there is an even more favorable operating behavior of the valve 1 according to the invention when the supply air is supplied through the fourth fluid line L4 and the third fluid line L3 is used as an exhaust air line. In this case, with unchanged ratios of the areas A₂ and A₃ to one another, there is a higher reinforcing effect, ie the switchability of a higher supply air pressure in the fourth fluid line L4 based on the control pressure p1.

Fig. 7 zeigt eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Ventiles, bei dem wiederum mit den vorhergehenden Ausfüh rungsbeispielen übereinstimmende oder vergleichbare Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Diese Ausführungsform umfaßt vier Körper K0, K1, K2, K3, von denen der dritte und vierte Körper K2, K3 miteinander die beiden elektrostatisch gesteuerten Ventile 3, 4 festlegen, an die die Zuluftleitung L1 und die Abluftleitung L2 angrenzen. Die Druckausgleichskammer 2 wird durch den Hohlraum zwischen dem zweiten und dritten Körper K1, K2 festgelegt und grenzt an einen Membranbereich 29 des zweiten Körpers K1 an, wobei dieser Membranbereich 29 auf seiner der Druckausgleichskammer 2 abgewandten Seite einen Ventil kolben 30 bildet. Der Ventilkolben 30 liegt einem Aufla gerand 31 eines Ventilsitzes 32 gegenüber, der innerhalb des ersten Körpers K0 durch eine entsprechende Ringaus nehmung 33 gebildet ist. Die dritte und vierte Fluidleitung L3, L4 stehen mit der Außenfläche des ersten Körpers K0 in Verbindung und können, wie auch aufgrund der Beschreibung der oben erläuterten Ausführungsbeispiele offensichtlich ist, in Abhängigkeit von der Lage der Membran 29 miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden, welche ihrer seits von dem durch die beiden elektrostatisch gesteuerten Ventile 3, 4 steuerbaren Druck in der Druckausgleichskammer 2 abhängt. Fig. 7 shows a further modification of the valve according to the invention, in which again with the previous exemplary embodiments matching or comparable parts are designated by the same or similar reference numerals. This embodiment comprises four bodies K0, K1, K2, K3, of which the third and fourth bodies K2, K3 fix together the two electrostatically controlled valves 3 , 4 , to which the supply air line L1 and the exhaust air line L2 adjoin. The pressure compensation chamber 2 is defined by the cavity between the second and third bodies K1, K2 and adjoins a membrane region 29 of the second body K1, this membrane region 29 forming a valve piston 30 on its side facing away from the pressure compensation chamber 2 . The valve piston 30 is a Aufla edge 31 of a valve seat 32 opposite, the recess 33 is formed within the first body K0 by a corresponding Ringaus. The third and fourth fluid lines L3, L4 are connected to the outer surface of the first body K0 and, as is also evident from the description of the exemplary embodiments explained above, can be connected to or separated from one another depending on the position of the membrane 29 , which of them depends side by the electrostatically controlled by the two valves 3, 4 controllable pressure in the pressure balancing chamber. 2

Obwohl diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventiles eine zusätzliche Schicht K0 gegenüber den zuvor beschrie benen Ausführungsbeispielen erfordert, wird sie als tech nologisch günstiger eingestuft. Bei dieser Ventilstruktur müssen die dritte und vierte Schicht K2, K3 nur im Hinblick auf die Realisierung der elektrostatisch gesteuerten Ventile 3, 4 bezüglich der Wahl der technologischen Schritte für die Ventilrealisierung optimiert werden, während die anderen beiden Schichten bzw. Körper K0, K1 bezüglich der Wahl der Prozeßschritte nur für die Realisierung der Membranfunk tion und Ventilsitzfunktion zu optimieren sind. Die Trennung der Funktionen der elektrostatisch gesteuerten Ventile bzw. der Membran ermöglicht einen höheren Freiheitsgrad bei der Wahl der Prozeßparameter.Although this embodiment of the valve according to the invention requires an additional layer K0 compared to the previously described exemplary embodiments, it is classified as technologically more favorable. In this valve structure, the third and fourth layers K2, K3 only have to be optimized with regard to the implementation of the electrostatically controlled valves 3 , 4 with regard to the choice of technological steps for the valve implementation, while the other two layers or bodies K0, K1 with respect to the Choice of process steps can only be optimized for the implementation of the membrane function and valve seat function. The separation of the functions of the electrostatically controlled valves or the membrane enables a higher degree of freedom in the selection of the process parameters.

Bezogen auf Fig. 8 wird nun eine stärker abgewandelte Va riante des erfindungsgemäßen Ventiles beschrieben. Dieses erfindungsgemäße Ventil ist als einfacher Schalter für einen in der Zuluftleitung L1 herrschenden, zu schaltenden Druck p1 gegenüber einem in der Abluftleitung L2 herrschenden, ge genüber dem zu schaltenden Druck p1 geringeren Druck p2. Ge genüber den vorherigen Ausführungsbeispielen entfallen die dritte und vierte Fluidleitung sowie die Membran- und Ven tilkolbenstruktur innerhalb des zweiten Körpers K2. A more modified variant of the valve according to the invention will now be described with reference to FIG. 8. This valve according to the invention is a simple switch for a pressure p1 prevailing in the supply air line L1 compared to a pressure p1 prevailing in the exhaust air line L2, lower pressure p2 compared to the pressure p1 to be switched. Compared to the previous exemplary embodiments, the third and fourth fluid lines and the membrane and valve piston structure within the second body K2 are eliminated.

Der Druck in der Druckkammer 2 läßt sich mittels der beiden elektrostatisch gesteuerten Ventile 3, 4 wahlweise zwischen dem Zuluftdruck p1 und dem Abluftdruck p2 schalten, indem jeweils eines der beiden elektrostatisch gesteuerten Ventile 3, 4 dadurch geöffnet wird, daß dessen Steuerspannung U1, U2 abgeschaltet wird, während das andere elektrostatisch gesteuerte Ventil geschlossen bleibt, indem dieses mit sei ner Steuerspannung U1, U2 beaufschlagt wird. Die in Fig. 8 gezeigte Struktur eignet sich ausschließlich als pneumati sches Ventil. Als hydraulisches Ventil ist es dann einsetz bar, wenn das Volumen der Druckausgleichskammer 2 beispiels weise durch eine elastische Membran an der nach außen gewandten Fläche des ersten Körpers K1 variabel ist, so daß die Druckausgleichskammer ein veränderliches Hydraulikvolu men aufnehmen kann.The pressure in the pressure chamber 2 can be switched between the supply air pressure p1 and the exhaust air pressure p2 by means of the two electrostatically controlled valves 3 , 4 , by opening one of the two electrostatically controlled valves 3 , 4 by switching off its control voltage U1, U2 is while the other electrostatically controlled valve remains closed by applying this with its control voltage U1, U2. The structure shown in Fig. 8 is only suitable as a pneumatic valve. As a hydraulic valve, it can be used when the volume of the pressure compensation chamber 2 is variable, for example, by an elastic membrane on the outwardly facing surface of the first body K1, so that the pressure compensation chamber can accommodate a variable hydraulic volume.

Bei diesem Ventil kann die Membran den Teil einer Pumpe bil den, die eine an die elastische Membran angrenzende Pump kammer hat. Gleichfalls kann die Membran mit dem Kolben einer Pumpenstruktur verbunden sein.With this valve, the membrane can bil the part of a pump the one that has a pump adjacent to the elastic membrane chamber has. Likewise, the membrane with the piston be connected to a pump structure.

Obwohl die erfindungsgemäßen Ventile vorzugsweise in Sili zium implementiert werden, können für die Zwecke der Erfin dung auch andere Materialien eingesetzt werden, welche sich für Mikrostrukturierungen eignen.Although the valves of the invention are preferably in sili zium can be implemented for the purpose of inven other materials can also be used suitable for microstructuring.

Claims

1. Microminiaturisable valve arrangement with a first fluid line (L1) and a second fluid line (L2), characterized by
a pressure compensation chamber ( 2 ) and
a first and second electrostatically controlled valve ( 3 , 4 ), each having a movable valve area ( 5 , 22 ) which covers an opening ( 6 ) in an adjacent, fixed surface area ( 7 ),
wherein the movable valve area ( 5 , 22 ) and the fixed surface area ( 7. ) each comprise electrically conductive areas ( 10 , 11 ),
wherein the first valve ( 3 ) between the pressure compensation chamber ( 2 ) and the first fluid line (L1) is arranged such that this against a pressure in the first fluid line (L1), which is higher than that in the pressure compensation chamber ( 2 ) , is kept in a closed state by applying a first voltage (U1) to the electrically conductive regions ( 11 , 12 ) of the first valve ( 3 ), and that when the first voltage (U1) is not applied, the pressure of the fluid in the first fluid line (L1) whose movable valve region ( 5 , 2 ) lifts from the fixed surface area, so that pressure equalization between the first fluid line (L1) and the pressure equalization chamber ( 2 ) takes place, and
wherein the second valve ( 4 ) between the pressure compensation chamber ( 2 ) and the second fluid line (L2) is arranged such that this against a pressure in the pressure compensation chamber ( 2 ), which is higher than that in the second fluid line (L2) , is kept in a closed state by applying a second voltage (U2) to the conductive areas ( 11 , 12 ) of the second valve ( 4 ), and that if the second voltage (U2) is not applied, the pressure of the fluid in the pressure compensation chamber ( 2 ) whose movable valve area ( 5 , 2 ) stands out from the fixed surface area ( 7 ), so that pressure compensation between the pressure compensation chamber ( 2 ) and the second fluid line (L2) takes place.

2. Microminiaturisable valve arrangement according to claim 1, characterized by a valve piston ( 17 , 17 ', 17 '',) acted upon by the pressure in the pressure compensation chamber ( 2 ) which, depending on the pressure in the pressure compensation chamber ( 2 ), against a valve seat ( 19 , 27 ) can be applied between a third and fourth fluid line (L3, L4).

3. microminiaturisable valve arrangement according to claim 1 or 2, characterized by a control device which generates the first and second voltage (U1, U2) for the control of the first and two-th valve ( 3 , 4 ) such that at any time during the Operation of the microminiatu risbare valve ( 1 ) at least one of the two valves ( 2 , 4 ) a voltage (U1, U2) is applied.

4. microminiaturizable valve assembly according to claim 3, characterized in that the valve piston ( 17 , 17 ', 17 '') of a to the pressure compensation chamber ( 2 ) adjacent membrane ( 16 ) leads GE.

5. Microminiaturizable valve arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the area surrounded by the valve seat ( 17 , 27 ) (A₃) in the region of the fourth fluid line (L4) is smaller than that of the pressure in the pressure compensation chamber ( 2 ) Area (A₁) of the valve piston ( 17 , 17 ', 17 '').

6. Microminiaturisable valve arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the area (F₃) of the movable valve region ( 5 , 22 ) is larger than the area (F₁) of the opening ( 6 ).

7. Microminiaturisable valve arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized by
three superimposed, interconnected, substantially plate-shaped body (K1, K2, K3), which are designed such that the first and second Kör by (K1, K2) together define the pressure compensation chamber ( 2 ), and
that the two valves ( 3 , 4 ) are fixed by the second and third body (K2, K3) such that the movable valve area ( 5 ) of the first valve ( 3 ) and the fixed surface area ( 7 ) of the second valve ( 4 ) are formed by the second body (K2) and that the movable valve area ( 5 ) of the second valve ( 4 ) and the fixed surface area ( 7 ) of the first valve ( 3 ) are formed by the third body (K3).

8. Microminiaturisable valve arrangement according to claim 7, characterized in that the valve piston ( 17 , 17 ', 17 '') and the diaphragm ( 16 ) leading it through the second body (K2) are formed.

9. Microminiaturisable valve arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that at least two of the three bodies (K1, K2, K3) with Processes of semiconductor technology are manufactured.