DE4418450C2 - Mikroventil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikroventil, das z. B. als Pilotventil in der Pneumatik eingesetzt werden kann.

Pneumatische Steuerungen finden breite Anwendung in vielen Bereichen der Technik, da sie sich durch hohe Lebensdauer, Betriebssicherheit und große Kräfte auszeichnen. Ein über ein elektrisches Signal betätigter elektromechani­ scher Wandler (Betätigungselement) wirkt direkt oder über mehrere Druckstufen auf die eigentliche Ventilstufe (Steuerelement) ein, die ihrerseits eine bestimmte Betriebsgröße (Druck, Durchfluß) in gewünschter Weise manipuliert.

In der Pneumatik dienen als Steuerelemente hauptsächlich zylindrische Linear­ schieberventile für Hauptstufen und zylindrische Sitzventile für direktbetätigte Ventile bzw. Pilotventile. Als Betätigungselement hat sich der Hubmagnet durch­ gesetzt, da sich diese Antriebsart durch hohes Arbeitsvermögen und einfachen Aufbau auszeichnet. Ein klassisches Hubmagnetventil aus Plastikformteilen hat Ausmaße von ca. 25 × 25 × 40 mm³, arbeitet bei Drücken bis 8 bar und benötigt im betätigten Zustand ca. 2,5 W.

Aus Gründen der Kostensenkung, geringeren Materialverbrauchs, Erhöhung der Flexibilität und Verbesserung der Schalteigenschaften ist auch auf dem Gebiet der Pneumatik für bestimmte Anwendungen ein Trend zur Miniaturisierung zu beobachten. Der Raumbedarf pneumatischer Kleinstventile wird dabei immer wesentlicher von den Abmessungen des Hubmagneten bestimmt, dessen Spule sich nur unter er­ heblicher Kostensteigerung bei unvermeidlich sinkender Leistungskraft verkleinern läßt. Mittels Feinwerktechnik hergestellte Miniatur-Hubmagnetventile (10 × 10 × 15 mm³) sind im Vergleich zu klassischen mindestens fünfmal so teuer.

Aus der EP 0 208 386 ist ein mit Mikrostrukturtechnik hergestelltes Siliziumventil zur Durchfluß­ steuerung einer Flüssigkeit bekannt, das aus einem ersten planaren Teil mit einer Auslaßöffnung und einem zweiten Teil mit einer planaren Oberfläche besteht, die zum Öffnen und Schließen der Auslaßöffnung relativ zu dieser bewegt werden kann. Zur Bewegung des Schließkörpers wird auf diesen eine externe Kraft, z. B. über einen Kolben, ausgeübt. Die gesamte, für die Funktion des Ventils notwendige Konstruktion ist sehr aufwendig.

Andere für die Bewegung einer Membran als Schließkörper eingesetzte Betätigungsmittel bei Mikroventilen sind z. B. aus der DE 39 19 876 bekannt. Hier sind insbesondere piezoelektrisch oder thermoelektrisch arbeitende Beschichtungen der Membran, elektrostatische oder ther­ mofluidische Betätigung zu nennen. So sind beispielsweise aus der WO 91/00464 oder der DE 38 14 150 Mikroventile bekannt, deren Membranstruktur beschichtet ist und mit einem oder mehre­ ren Heizelementen versehen ist. Das Aufheizen bewirkt aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Membran- und Schichtmaterial ein Durchbiegen der Membran­ struktur und somit ein Öffnen oder Schließen der Ventilöffnung. Gerade beim Öffnen eines Ven­ tils gegen den anliegenden Druck ist jedoch im ersten Moment eine größere Kraft nötig als im weiteren Verlauf des Öffnungsvorgangs, eine Anforderung, die von den oben angeführten Betä­ tigungsmitteln nicht erfüllt werden kann.

Piezoelektrische und elektrostatische Mikroventile können zudem die in der Pneumatik geforder­ ten Leistungsdaten nicht erbringen. Um die dort auftretenden hohen Drücke (1 bis 7 bar) zu schalten, wären sehr hohe Steuerspannungen erforderlich. Da die mit diesen Ventilen erreichba­ ren Hübe gering sind, müßten die Ventilöffnungen groß sein, um den geforderten Durchfluß (1 bis 30 l/min) zu erzielen. Es würden Probleme mit Verschmutzungen (Öl, Wasser) durch das Ar­ beitsmedium (ölverschmutzte, feuchte Druckluft) auftreten. Des weiteren könnte es zu Vereisun­ gen kommen. Bei thermischen Ventilen ist dies weniger kritisch, da deren Schließmembran sehr heiß wird. Der erreichbare Hub ist höher.

Eine thermofluidische Betätigung hat den Nachteil, daß der Abkühlvorgang ohne zusätzliche störende Hilfsmittel sehr langsam abläuft (geringe Dynamik).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroventil der in Rede stehenden Art anzugeben, das für industrielle Pneumatiksteuerungen ge­ eignet ist, kostengünstig mit Mitteln der Halbleitertechnologie herstellbar ist und verbesserte Schalteigenschaften aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem in Anspruch 1 angegebenen Mikro­ ventil gelöst. Dieses besteht aus zwei Teilen.

Das erste Teil, das sich auf der Seite des höheren Druckes p_in (druckseitig) be­ findet, weist eine Membranstruktur auf, die mit einem oder mehreren Heizelementen versehen ist.

Das zweite Teil ist mit dem ersten auf der dem niedrigeren Druck p_out zuge­ wandten Seite verbunden. Es enthält einen oder mehrere Auslaßöffnungen und dazugehörige Ventilsitze.

Weiterhin weisen entweder der Schließkörper des ersten Teils oder Substratbe­ reiche des zweiten Teils oder beide Teile eine oder mehrere Gruben definierter Tiefe auf, wobei alle Gruben so angeordnet sind, daß sie bei geschlossenem Ventil von Bereichen des jeweils anderen Teils vollständig überdeckt werden, so daß geschlossene Hohlräume entstehen, in denen sich Heizelemente befinden. Unter geschlossenen Hohlräumen sind hier auch solche zu verstehen, bei denen an den Rändern der Gruben herstellungsbedingt Spalte von einigen µm auftreten.

Die Heizelemente heizen somit unter anderem das in den Gruben befindliche Gas- oder Flüssigkeitsvolumen auf. Wesentlich an der Anordnung der Gruben ist, daß damit bei geschlossenem Ventil ein nahezu abgeschlossenes Flüssigkeits- oder Gasvolumen erzeugt wird, das durch die Heizelemente schnell erwärmt werden kann. Die Tiefe der Gruben wird so gewählt, daß das Aufheizen des Gasvolumens in den Gruben schneller erfolgt als das Abfließen des erwärmten Gases über den Spalt an den Rändern der Gruben. Die Tiefe der Gruben beträgt vorzugsweise maximal 40 µm (Anspruch 3).

Gemäß Anspruch 2 ist die Membran auf einer Seite mit einem Material be­ schichtet ist, das einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten besitzt, der sich von dem des Membranmaterials unterscheidet. Der Unterschied der Längenausdehnungskoeffizienten von Membranmaterial und Beschichtungs­ material sowie die räumliche Anordnung der Beschichtung auf der Membran geben die Richtung des Durchbiegens der Membranstruktur vor. Die Membran­ struktur kann vollständig oder auch nur an bestimmten Stellen beschichtet sein. Die Beschichtung muß jedoch so angebracht sein, daß sich die Membranstruk­ tur bei Erwärmung gegen den anliegenden Druck p_in durchbiegt.

Das erfindungsgemäße Mikroventil arbeitet auf der Grundlage eines kombinier­ ten thermomechanischen-thermopneumatischen Wirkungsprinzips. Im stromlo­ sen Zustand ist das Ventil geschlossen. Wird die Membran durch die Heizele­ mente erwärmt, baut sich eine, die Membran gegen den höheren Druck p_in auslenkbare Kraft auf (thermomechanischer Effekt), die aus der thermischen Ausdehnung der Membran resultiert. Das Beheizen führt zu inneren Spannungen in der Membran aufgrund deren Wärmeausdehnung im Vergleich zum wesentlich kühleren Chiprahmen. Beim Überschreiten einer bestimmten (druckabhängigen) Membrantemperatur erfolgt ein schlagartiges Ausbuckeln der Membran. Eine Beschichtung (vgl. Anspruch 2) kann dabei eine die auslenkende Kraft unterstützende Funktion bei entsprechender Beschichtungsdicke (Bimetall-Effekt, Anspruch 6) oder auch nur eine die Auslenkungsrichtung der Membran bestimmende Funktion (vgl. Anspruch 7) ausüben. Gleichzeitig erwärmt sich das Flüssigkeits- bzw. Gasvolumen (z. B. Luft) in den Gruben unterhalb der Membran. Da dieses nur über schmale Spalte abfließen kann, entsteht in den Gruben ein Überdruck. Es kommt zusätzlich zu einer kurzzeitigen thermopneumatischen Krafteinwirkung auf die Membran. Dadurch kann das Ventil gegen größere Drücke geöffnet werden, als dies z. B. eine rein thermomechanische Krafterzeugung zulassen würde. Desweiteren erhöht sich die Geschwindigkeit, mit der das Ventil öffnet, im Vergleich zum rein thermomechanischen Antrieb beträchtlich. Auch der Wirkungsgrad wird durch die bessere Wärmeausnutzung größer. Durch die Aufwärtsbewegung der Membran wird der thermopneumatische Effekt abgebaut, d. h. im geöffneten Zustand sind nur thermomechanische Kräfte wirksam. Dem kommt entgegen, daß die volle Druckdifferenz (p_in » p_out) nur im ersten Moment des Öffnens am Ventil anliegt. Es soll z. B. ein Steuervolumen mit Druckluft aufgefüllt und dadurch eine größere Ventilstufe betätigt werden, d. h. der Schaltvorgang ist nach dem Druckausgleich beendet (p_in = p_out). Danach muß nur noch die elastische Kraft der Membran und eventueller Druckabfall aufgrund von Leckflüssen kompensiert werden. In diesem Zustand kann die Energiezufuhr im Vergleich zu herkömmlichen Hubmagnetventilen wesentlich verringert werden. Zur Anpassung der Heizleistung und somit der thermomechanischen Kraft an die jeweiligen Erfordernisse können mehrere Heizelemente vorgesehen sein.

Das Schließen des hier beschriebenen mikromechanischen Ventils wird durch Abschaltung der Heizelemente erreicht. Wesentlich beschleunigt wird der Vor­ gang durch das "Entlüften" des Steuervolumens (wieder p_in » p_out), z. B. über ein zweites Mikroventil, da der oben (p_in-seitig) anliegende Druck die Membran einfach nach unten (p_out-seitig) drückt.

Da die mikromechanischen Ventile ähnlich wie IC′s gefertigt werden können, entsteht gegenüber Miniatur-Hubmagnetventilen ein deutlicher Preisvorteil. Da­ bei wird die Baugröße eines Mikroventils selbst mit Gehäuse nicht mehr als ein Zehntel des Volumens eines herkömmlichen Miniaturventils betragen.

Als bevorzugtes mikrostrukturierbares Material ist in Anspruch 4 Silizium ange­ geben, das sich aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften sehr gut zur Her­ stellung von Mikroventilen eignet. So können z. B. die beiden Teile des Mikro­ ventils zwei durch Silicon Bonding oder Kleben verbundene Chips sein (Anspruch 5).

In Siliziumtechnologie herstellbare Elemente können zudem sehr kostengünstig in großer Stückzahl gefertigt werden.

In besonderer Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 ist das Beschichtungsmaterial der Membranstruktur ein Metall. Metalle weisen einen im Vergleich zu mikrostrukturierbarem Material, wie z. B. Silizium, relativ großen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten auf. Die Metallbeschichtung kann z. B. wie im Ausführungsbeispiel gezeigt aufgebracht sein, um die Auslenkung der Membran gegen den anliegenden Druck p_in zu bewirken. Die Aufbringung der Beschichtung kann bei der Herstellung mittels Sputtern, Aufdampfen oder Galvanik erfolgen.

Als besonders vorteilhaft erweist sich nach Anspruch 7 eine dünne Beschichtung aus Silizium-Dioxid (SiO₂) oder Silizium-Nitrid (Si₃N₄), die auf der dem niedrigeren Druck zugewandten Seite (p_out-seitig) der Silizium-Membran aufgebracht ist. Bei Membrandicken von bis zu 12 µm kann die Dicke der Beschichtung bis zu 500 Nanometer betragen. Bei Erwärmung der Membran durch die Heizelemente dehnt sich diese aus. Da im ersten Moment die Einspannung noch kalt bleibt, kommt es zu einer Verwölbung der Siliziumstruktur aufgrund der Längenausdehnung des Siliziums selbst. Das SiO₂ bzw. Si₃N₄ auf der Seite des niedrigen Druckes p_out bewirkt die Auslenkung der Membran ausschließlich gegen den anliegenden hohen Druck p_in, da diese Materialien einen wesentlich geringeren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen als einkristallines Silizium.

Der Vorteil dieses Beschichtungsmaterials liegt vor allem im geringeren Leistungsbedarf im Vergleich zu einer Metallbeschichtung. Eine Metallbe­ schichtung wirkt als Wärmekurzschluß, d. h. die Wärmeabfuhr zum Chip über die Einspannung ist sehr groß. Bei gleicher Heizleistung erreicht daher eine Membranstruktur ohne Metallaktoren eine wesentlich höhere Temperatur. Die Temperatur ist die Größe, die hier die Stärke des thermomechanischen Effekts bestimmt.

Ventile mit Silizium-Dioxid- bzw. Silizium-Nitrid-Schichten arbeiten mit geringeren Heizleistungen und weisen eine bessere Dynamik auf (Schaltzeiten im Bereich einiger msec.) als solche mit Metallbeschichtungen. Die Beschichtung hat in dieser Ausgestaltung lediglich die Funktion der Richtungsbeeinflussung der Auslenkung, während durch die thermische Längenausdehnung der Silizium- Membran selbst die Kraft gegen den äußeren Druck aufgebracht wird.

Anspruch 8 gibt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroventils an, bei der die Heizelemente implantierte Leiterbahnen oder Polysiliziumbahnen sind. Die Aufbringung dieser Bahnen läßt sich mit Methoden der Halbleitertech­ nologie realisieren.

Die Membranstruktur ist vorzugsweise brückenförmig (d. h. ein beidseitig einge­ spannter Streifen) oder kreuzförmig ausgebildet (Anspruch 9), so daß beim Öff­ nen des Ventils das Druckmedium möglichst ungehindert passieren kann.

Durch eine Regelung der Energiezufuhr und damit der Heizleistung gemäß An­ spruch 10 läßt sich der Gesamtleistungsverbrauch einer pneumatischen Steue­ rung aus Mikroventilen im Vergleich zu herkömmlichen Ventilen deutlich verrin­ gern. Eine hohe Heizleistung ist, wie bereits weiter oben dargelegt, nur im ersten Moment des Öffnens erforderlich.

Anspruch 11 gibt den bevorzugten Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Mi­ kroventils an.

Ein Ausführungsbeispiel für das in den Ansprüchen angegebene Mikroventil wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 und Fig. 2 in schematischer Darstellung mögliche Ausführungsformen für das erfindungsgemäße Mikroventil.

Das Mikroventil besteht aus zwei Silizium-Chips 1 und 2, die üblicherweise mit­ tels Silicon Bonding auf Waferebene verbunden werden. Der obere (druckseitige) Chip 1 enthält den beweglichen Schließkörper 3 - eine durch an­ isotropes Ätzen herausgebildete Membranstruktur (z. B. brücken- oder kreuzför­ mig). Die Membran ist gemäß Fig. 2 mit Heizelementen 8 versehen (z. B. implantierte Leiterbahnen oder Polysiliziumbahnen, in Fig. 1 nicht dargestellt).

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Membran zusätzlich grubenseitig selektiv mit Metall beschichtet 4 (z. B. Al oder Au durch Sputtern, Aufdampfen oder Galvanik). Aus Isolationsgründen befindet sich zwischen der Metallbeschichtung und den Heizelementen eine weitere, isolierende Schicht (z. B. thermisches SiO₂, in Fig. 1 nicht enthalten).

Der untere Chip 2 enthält die Auslaßöffnung 7, den anisotrop geätzten Ventilsitz 5 und mehrere Gruben definierter Tiefe 6, die sich sowohl durch isotropes als auch durch anisotropes Ätzen erzeugen lassen. Die Gruben haben Abmessungen von maximal 400 × 600 × 40 µm³ und sind so angeordnet, daß sie von der Membranstruktur überdeckt werden.

Zum Entlüften eines Steuervolumens kann ein zweites erfindungsgemäßes Mi­ kroventil eingesetzt werden.

Claims (11)

1. Mikroventil aus mikrostrukturierbarem Material, zumindest bestehend aus einem ersten druckseitigen Teil (1), das eine Membranstruktur (3) als beweglichen Schließkörper aufweist, und einem zweiten, mit dem ersten verbundenen Teil (2), mit mindestens einer Auslaßöffnung (7) und mindestens einem Ventilsitz (5), wobei die Membranstruktur mit einem oder mehreren Heizele­ menten (8) versehen ist, und zumindest eines der beiden Teile eine oder mehrere Gruben definier­ ter Tiefe (6) aufweist, die so angeordnet sind, daß sie bei geschlossenem Ventil von Bereichen des anderen Teils vollständig überdeckt werden, so daß geschlossene Hohlräume entstehen, in de­ nen sich Heizelemente (8) befinden.

2. Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstruktur auf einer Seite mit einem Material (4), das einen anderen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten besitzt als das Membranmaterial, zumindest teilweise so beschichtet ist, daß bei Erwär­ mung ein Durchbiegen der Membranstruktur gegen den anliegenden Druck resultiert.

3. Mikroventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruben eine maximale Tiefe von 40 µm aufweisen.

4. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mikrostrukturierbare Material Silizium ist.

5. Mikroventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile des Mikroventils zwei mittels Silicon Bonding oder Kleben verbundene Chips sind.

6. Mikroventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial der Membranstruktur ein Metall ist.

7. Mikroventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial der Membranstruktur SiO₂ oder Si₃N₄ ist, und daß die Beschichtung an der dem niedrigeren Druck zugewandten Seite der Membran aufgebracht ist.

8. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente implantierte Leiterbahnen oder Polysiliziumbahnen sind.

9. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstruktur brücken- oder kreuzförmig ausgebildet ist.

10. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zu seiner Betätigung erforderliche Heizleistung regelbar ist.

11. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es als Pilotventil in pneumatischen Steuerungen eingesetzt wird.