DE4422973B4

DE4422973B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Zusammenfügen eines Mikroventils

Info

Publication number: DE4422973B4
Application number: DE19944422973
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl.-Ing. Schuelke; Thomas Dipl.-Phys. Dr. Schittny; Werner Dipl.-Phys. Dr. Uhler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: DE4422973A1

Abstract

Vorrichtung zum Zusammenfügen eines Mikroventils, bei der
– das Mikroventil (1) aus übereinander angeordneten, fest miteinander verbundenen Schichten gebildet ist,
– bei dem in Ausnehmungen dieser Schichten ein Ventilschließglied (9) angeordnet ist, welches zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen (6,7) angeordnet ist und über einen Ventilsitz (10) an eine gemeinsame Wand der Kammern (6,7) dichtend anlegbar ist und
– bei dem ein Antrieb (2) das Ventilschließglied (9) um einen vorgegebenen Hub zur Öffnung des Ventilsitzes (10) auslenkt, wobei
– eine Justiervorrichtung (22;24;27;32;33) vorhanden ist, die beim Zusammenfügen des Mikroventils (1) den Antrieb (2) und einen gegenüberliegenden Anker in einer den Hub des Ventilschließgliedes (9) festlegenden Stellung zueinander hält, und wobei
– die Justiervorrichtung (22;24;27) Bestandteil einer der Schichten im Mehrschichtaufbau des Mikroventils (1) ist, und dass
– während des Zusammenfügens als Justiervorrichtung wirksame Erhebungen und Vertiefungen (22,24) in den Schichten einen definierten Abstand von...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zusammenfügen eines Mikroventils, bei dem zum Beispiel ein elektromagnetischer Antrieb für die Auslenkung eines Ventilschließgliedes vorgesehen ist.

Bei einem aus der WO 94/00696 A1 bekannten Mikroventil sind die mit einem Druckmittel beaufschlagten Räume, das Ventilschließglied und die auslenkbare Membran des Mikroventils aus übereinander angeordneten Kunststoffschichten gebildet. Nach der Ausbildung der erforderlichen Öffnungen und der verbleibenden Stege und Oberflächen werden diese Schichten unter Einhaltung der erforderlichen Toleranzen und unter Gewährleistung des gewünschten Bewegungshubes des Ventilschließgliedes beispielsweise durch Kleben aneinandergefügt. Als eine Möglichkeit des Antriebs für die Bewegung des Ventilschließgliedes ist unter anderem auch ein Elektromagnet aufgezeigt, der auf die mit einem Anker versehene Membran einwirkt.

Aus der DE 39 19 876 A1 ist ein Mikroventil bekannt, bei dem ein Ventilschließglied mittels eines elektrostatischen Antriebs bewegt werden kann. Die einzelnen Schichten des Mikroventils sind hier mit mikromechanischen Fertigungsverfahren bearbeitet, beispielsweise in bekannter Weise durch Ätzung von Siliziumscheiben (sogenannten Wafern), so daß die erforderlichen mechanischen Elemente durch eine strukturierte dreidimensionale Bearbeitung dieser Schichten herausgebildet werden. Die Ausbildung und Weiterverarbeitung diese Schichten erfordert einen optimalen Einsatz der geeigneten Materialien und einer günstigen Montagetechnik unter Berücksichtigung des gewählten Antriebs für das Ventilschließglied.

Bei der Herstellung eines Mikroventils mit Mehrschichtaufbau tritt das Problem auf, daß die in Richtung der Bewegung des Ventilschließgliedes vorhandenen, vertikalen Toleranzen, zum Beispiel Dickentoleranzen und Keiligkeit der beteiligten Wafer und Formtoleranzen des Antriebs, sowie ungenaues Fügen der Schichten sehr stark in den Hub des Ventilschließgliedes eingehen und damit die Funktion des Mikroventils beeinflussen. Toleranzen in den Bauteilen werden bei Ventilen üblicherweise durch Justiervorrichtungen ausgeglichen. Zum Beispiel sind bei einem aus der DE 42 35 508 A1 oder aus der DE 40 22 395 A1 bekannten Magnetventil üblicher Baugröße Mittel, insbesondere Justierschrauben vorhanden, mit denen nach der Montage des Ventils die Endlagen und/oder der Hub des Magnetankers eingestellt werden können. Eine derartige Justierung ist für Mikroventile kaum geeignet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren zu entwickeln, daß auf einfache Weise schon beim Zusammenfügen des Mikroventils der gewünschte Hub des Ventilschließgliedes sehr präzise einstellbar ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 2 zum Zusammenfügen eines Mikroventils sind insofern vorteilhaft, als sie eine äußerst genaue Hubeinstellung während des Fügeprozesses des Mikroventils in einem Mehrschichtaufbau gewährleisten. Es kann eine hohe Genauigkeit für einen Hub von circa 10μm bis 30μm erreicht werden, wobei die Justiervorrichtung mehr oder weniger weit in den Mehrschichtaufbau integriert ist. Der Hub ist hierbei fest eingestellt und braucht nach der Aushärtung der Fügestellen nicht nachträglich verändert zu werden. Eine solche genaue Einstellung ist insbesondere bei Mikroventilen mit einem elektromagnetischen Antrieb notwendig.

Die in den Patentansprüchen 4, 7 und 9 angegebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Zusammenfügen eines Mikroventils mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung haben den Vorteil, daß während des Fügeprozesses, entweder bei geöffnetem oder bei geschlossenen Mikroventil, mit einfachen Mitteln der Hub des Ventilschließ gliedes beim elektromagnetisch angetriebenen Mikroventil mit relativ geringer Toleranz eingestellt werden. Beispielsweise kann die Summe der Abweichungen bei der Herstellung nach den bekannten Methoden durchaus den Bereich von 20μm bis 30μm erreichen, so daß die Gefahr besteht, daß das Ventilschließglied nicht mehr öffnet, weil kein Arbeitsluftspalt mehr vorhanden ist. Durch eine Fortbildung gemäß Patentanspruch 6 kann mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 4 gleichzeitig auch die laterale Plazierung des Antriebes bzw. des Jochs des Elektromagneten mit engen Toleranzen durchgeführt werden. Alle Herstellungsschritte können hierbei mit einer mikromechanischen Silizium-Ätztechnik sehr einfach ausgeführt werden.

Bei dem Verfahren gemäß Patentanspruch 9 ist lediglich eine einfache Justiervorrichtung als Montagewerkzeug vorhanden, mit der Toleranzen bei der Herstellung der Schichten weitgehend ausgeglichen werden können.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines Verfahrens zum Zusammenfügen eines Mikroventils werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch ein Mikroventil mit einem in das Ventilgehäuse integrierten elektromagnetischen Antrieb zur Erläuterung der Funktion des Ventils,

2 bis 6 Ansichten eines Mikroventils während der Montageschritte und

7 und 8 Ansichten eines Mikroventils beim Zusammenfügen mit jeweils unterschiedlichen Ausführungsformen einer Justiervorrichtung.

In der 1 ist ein Schnitt durch ein Mikroventil 1 dargestellt, das einen elektromagnetischen Antrieb 2 zur Betätigung des Mikroventils enthält. Der Antrieb 2 besteht aus einer, in einen Topfmagneten 3 integrierten Spule 4 und einer, in eine Membran 5 mit biegesteifen Kern integrierten, Ankerplatte.
Das Mikroventil 1 weist druckbeaufschlagbare Räume 6 und 7 auf, wobei über einen Zulauf 8 in den Raum 6 ein fluidisches Druckmittel eingeleitet werden kann. Die Membran 5 ist mit einem Ventilschließglied 9 fest verbunden, das über einen Ventilsitz 10 die beiden Räume 6 und 7 dichtend trennt. Der obere und der untere Teil des Mikroventils 1 sind an einer Fügestelle 11 miteinander verbunden, wobei zwischen der Membran 5 und der Oberseite des Topfmagneten 3 ein weiterer Raum 13 gebildet ist. Bei einer Betätigung des Antriebs 2 wird durch elektromagnetische Anziehungskräfte die Membran 5 mit dem Ventilschließglied 9 nach unten bewegt, sodaß der Ventilsitz 10 geöffnet wird und das in dem Raum 6 befindliche fluide Mittel, dessen Druck P_in größer ist als der Außendruck P_out im Raum 7, hinausbefördert werden kann.
Eine Justierung der bewegten Bauteile zum Ausgleich von vertikalen Fertigungstoleranzen kann bei dem Ausführungsbeispiel nach der 1 derart vorgenommen, daß das Zusammenfügen des Mikroventils 1 entweder bei geöffnetem oder bei geschlossenem Ventil erfolgt. Diese Ausführungsformen werden anhand der folgenden Figuren erläutert.
Die 2 und 3 zeigen jeweils im oberen Teil eine Draufsicht auf den Membranteil eines Mikroventils 1 und im unteren Teil einen Schnitt durch diesen Membranteil. Anhand dieser Figuren soll das Herstellungsverfahren beim Zusammenfügen dieser Teile des Mikroventils 1 bei geschlossenem Ventil erläutert werden, wobei funktionsidentische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden sind. Bei der Montage des magnetischen Antriebs 2 auf das in der oben beschriebenen Schichtbauweise hergestellte Mikroventil 1 (gemäß 2 und 3) soll erreicht werden, daß der Abstand zwischen einem Joch 18 und einem Anker 12, bei geschlossenem Ventilsitz 10, genau einstellbar ist, da dieser den Hub des Ventilschließelements 9 (vgl. 1) bestimmt. Ebenfalls ist darauf zu achten, daß der Antrieb 2 lateral so zu positionieren ist, daß der Anker 12 und daß Joch 18 zentral über einem biegesteifen Kern 20 der Membran 5 liegt.
Im ersten Herstellungsschritt wird im der Membran 5 gegenüberliegenden Teil des Mikroventils 1 eine Öffnung 21 zur Aufnahme des Ankers 12 eingebracht. Auf der Oberseite dieses Teils wird sodann eine Vertiefung 22 zur Aufnahme des Jochs 18, beispielsweise durch Ätzen, hergestellt. Das Maß der Vertiefung entspricht hier dem gewünschten Abstand zwischen Joch 18 und Anker 12. Das Joch 18 ist so bemessen, daß es in der Vertiefung 22 aufliegt. Es kann beispielsweise durch unterschiedliche Seitenlängen erreicht werden, daß das Joch 18 nur in einer definierten Stellung in der Vertiefung aufliegen kann.
Die oben beschriebenen Teile werden im Anschluß hieran durch eine Klebeverbindung 30 zusammengefügt. Bei geschlossenem Ventilsitz 10 wird auf den biegesteifen Kern 20 der Membran 5 oder auf die Unterseite des Ankers 12 ein entsprechender Klebstoff aufgetragen. Anschließend wird der, z.B. elektromagnetisch am Joch 18 gehaltene Anker 12, gemäß 2 in der Öffnung 21 plaziert und eine formschlüssige Anordnung zwischen Joch 18 und der Vertiefung 22 hergestellt. Wenn der Klebstoff an der Fügestelle 23 reagiert hat, kann das Zusammenhalten zwischen Joch 18 und Anker 12, wie es aus 2 im unteren Teil ersichtlich ist, beendet werden. In einem zweiten Montageschritt gemäß 3 wird in die Vertiefung 22 ebenfalls ein Füge- oder Klebstoff eingebracht, wobei vor dem Aushärten des Klebstoffs das Joch 18 um 90° gedreht wird und nunmehr formschlüssig auf der Oberseite des Mikroventils 1 und über den Klebstoff stoffschlüssig in der Vertiefung 22 befestigt ist. Somit ist erreicht, daß über das Maß der Vertiefung 22 der Hub des Ventilschließgliedes 9 (vgl. 1) eingestellt werden kann, wobei eventuelle vertikale Verschiebungen bei der Montage – beispielsweise durch Schrumpfung des Klebers – bei der Bemessung der Vertiefung vorher berücksichtigt werden können.
Bei der in der 4 dargestellten Ausführungsform wurde die Vertiefung 22 mit gleichen Seitenlängen ausgeführt, wobei die Endeinstellung des Hubes über eine 45° Drehung beim zweiten Montageschritt durchgeführt wird (vgl. gestrichelte Darstellung des Jochs 18 im unteren Teil). Diese Ausführungsform weist ansonsten die gleichen Montageschritte auf, sie ist jedoch besonders platzsparend.
Gemäß der 5 und 6 sind Abwandlungen der Vertiefung 22 gegenüber der Darstellung nach den 2 und 3 zu erkennen. Die Montageschritte erfolgen jedoch in gleicher Weise wie anhand der 2 und 3, mit der Ausnahme, daß eine weitere Vertiefung 24 eingebracht worden ist, in die das Joch 18 nach dem zweiten Montageschritt zu liegen kommt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit eine laterale Justierung nach der räumlichen Verlagerung des Jochs 18 gewährleistet.
Weitere Ausführungsbeispiele für den Zusammenbau des Antriebs 2 mit den in mikromechanischer Schichtbauweise hergestellten Ventilbauteilen eines Mikroventils 1, bei geöffnetem Ventil, sind in den 7 und 8 gezeigt. Die einzelnen Schichten des Mikroventils 1 sind hier wie bei den vorher beschriebenen Figuren in unterschiedlichen Schraffuren dargestellt und stellen jeweils eine Siliziumscheibe (auch als Wafer bezeichnet) dar. Es sind auch weitere Materialien einsetzbar, soweit sie mit geeigneten mikromechanischen oder feinmechanischen Bearbeitungsmethoden formbar sind. Die durch Ausätzung geschaffenen Ausnehmungen sind unschraffiert. Beim Ätzen der unteren Scheibe 25 ist im Inneren der Öffnung 26, die den äußeren Druckraum 7 bildet, ein Justagekern 27 erhaltengeblieben, der über Stege 28 mit der Scheibe 25 noch verbunden ist. Der Justagekern 27 ragt hierbei um den Abstand 29, der dem gewünschten Hub des Ventilschließgliedes 9 entspricht, über die äußere Oberfläche der Schicht 25 hinaus.
Die Montage des Antriebs 2 wird nun derart durchgeführt, daß beim Zusammenfügen (bzw. -kleben) der Justagekern durch ebene Auflage auf einen harten Untergrund das Ventilschließglied 9 und die Membran 5 um einen gewünschten Hub auslenkt. In diesem Zustand wird die Ankerplatte 12 am Topfmagneten 3 gehalten und sodann aufgesetzt. Die Verklebung kann in diesem Stadium an den Fügestellen 30 und 31 ohne besondere Maßnahmen zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen erfolgen.
Nach dem Zusammenfügen kann der Justagekern 27 mitsamt den Haltestegen 28 beispielsweise durch Absaugen entfernt werden, sodaß der Austrittsraum 7 für das Druckmittel zugänglich ist. Da durch den Justagekern 27 keine vollständige Abdeckung des Raumes 7 erfolgt, wäre auch ein Verbleiben des Justagekerns 27 für viele Anwendungsfälle nicht störend.
Das Ausführungsbeispiel nach der 8 benötigt eine zusätzliche Schicht 32 als Werkzeug für eine Auslenkung des Ventilschließgliedes 9, der Membran 5 und der Ankerplatte 12. Über eine Justageerhebung 33 wird hierbei die Auslenkung beim Zusammenfügen, das der anhand der 7 beschriebenen Weise entspricht, bewirkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel braucht keine nachträgliche Entfernung der Justagehilfsmittel durchgeführt werden. Die zusätzliche Schicht 32 kann beispielsweise mit mikromechanischen Bearbeitungsmethoden aus einer Siliziumscheibe hergestellt werden, die für die gleichzeitige Montage einer Vielzahl von Mikroventilen, zum Beispiel auf Waferebene, verwendet werden kann.

Claims

Vorrichtung zum Zusammenfügen eines Mikroventils, bei der – das Mikroventil (1) aus übereinander angeordneten, fest miteinander verbundenen Schichten gebildet ist, – bei dem in Ausnehmungen dieser Schichten ein Ventilschließglied (9) angeordnet ist, welches zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen (6,7) angeordnet ist und über einen Ventilsitz (10) an eine gemeinsame Wand der Kammern (6,7) dichtend anlegbar ist und – bei dem ein Antrieb (2) das Ventilschließglied (9) um einen vorgegebenen Hub zur Öffnung des Ventilsitzes (10) auslenkt, wobei – eine Justiervorrichtung (22;24;27;32;33) vorhanden ist, die beim Zusammenfügen des Mikroventils (1) den Antrieb (2) und einen gegenüberliegenden Anker in einer den Hub des Ventilschließgliedes (9) festlegenden Stellung zueinander hält, und wobei – die Justiervorrichtung (22;24;27) Bestandteil einer der Schichten im Mehrschichtaufbau des Mikroventils (1) ist, und dass – während des Zusammenfügens als Justiervorrichtung wirksame Erhebungen und Vertiefungen (22,24) in den Schichten einen definierten Abstand von Antrieb (2) und Anker erzwingen.
Vorrichtung zum Zusammenfügen eines Mikroventils, bei der – das Mikroventil (1) aus übereinander angeordneten, fest miteinander verbundenen Schichten gebildet ist, – bei dem in Ausnehmungen dieser Schichten ein Ventilschließglied (9) angeordnet ist, welches zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen (6,7) angeordnet ist und über einen Ventilsitz (10) an eine gemeinsame Wand der Kammern (6,7) dichtend anlegbar ist und – bei dem ein Antrieb (2) das Ventilschließglied (9) um einen vorgegebenen Hub zur Öffnung des Ventilsitzes (10) auslenkt, wobei – eine Justiervorrichtung (22;24;27;32;33) vorhanden ist, die beim Zusammenfügen des Mikroventils (1) den Antrieb (2) und einen gegenüberliegenden Anker in einer den Hub des Ventilschließgliedes (9) festlegenden Stellung zueinander hält, und wobei die Justiervorrichtung (32,33) als Justierschicht (32) während des Zusammenfügens an das Mikroventil (1) anlegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Justiervorrichtung (22;24;27;32;33) aus einer Siliziumschicht gebildet ist und mit mikromechanischen Bearbeitungsmethoden formbar ist.
Verfahren zum Zusammenfügen eines Mikroventils mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Einstellung des vorgegebenen Hubs des Ventilschließgliedes (9) beim Zusammenfügen der Membran (5) und der Ankerplatte (12) in einem ersten Verfahrensschritt vor dem Aushärten einer Klebeverbindung (23), der Topfmagnet (3) und die an ihm magnetisch zunächst haftende Ankerplatte (12) in die dem vorgegebenen Hub entsprechende Vertiefung (22) einer dem Topfmagneten (3) aufnehmenden Schicht fest eingedrückt wird, und dass – in einem zweiten Verfahrensschritt nach Aushärten der Klebeverbindung (23), bei geschlossenem Ventil (1) die Ankerplatte (12) vom Topfmagneten (3) gelöst wird und der Topfmagnet (3) aus der vorgegebenen Vertiefung (22) herausgenommen und an der Oberfläche der Schicht fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vertiefung (22) im wesentlichen der Kontur des Topfmagneten (3) entspricht und der zweite Verfahrensschritt durch eine räumliche Verlagerung des Topfmagneten (3) und damit verbundener Heraushebung aus der Vertiefung (22) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass – eine zweite Vertiefung (24) auf der den Topfmagneten (3) aufnehmenden Schicht vorhanden ist, in der der Topfmagnet (3) nach Durchführung des zweiten Verfahrensschrittes zu liegen kommt.
Verfahren zur Montage eines Mikroventils mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Einstellung eines vorgegebenen Hubs des Ventilschließgliedes (9) beim Zusammenfügen der Membran (5) und der Ankerplatte (12) in einem Verfahrensschritt vor dem Aushärten einer Klebeverbindung (23) zwischen der Membran (5) und der Ankerplatte (12) eine äußere Schicht (25) des Mikroventils (1) mit einem Justierkern (27) versehen ist, der in seiner vertikalen Ausdehnung um den vorgegebenen Hub (29) größer ist als die Schicht (25) und bei planer Auflage des Mikroventils (1) bei der Montage die Membran (5) und das Ventilschließglied (9) entsprechend auslenkt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem zweiten Verfahrensschritt nach Aushärten der Klebeverbindungen (30,31) der Justierkern (27) entfernt wird.
Verfahren zum Zusammenfügen eines Mikroventils mit einer Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Einstellung eines vorgegebenen Hubs des Ventilschließgliedes (9) beim Zusammenfügen der Membran (5) und der Ankerplatte (12) in einem ersten Verfahrensschritt vor dem Aushärten einer Klebeverbindung (23) zwischen der Membran (5) und der Ankerplatte (12) eine weitere Justierschicht (32) mit einer Justiererhebung (33) als Montagewerkzeug an das Ventilschließglied (9) zur Auslenkung des vorgegebenen Hubs angedrückt wird, und dass – im zweiten Verfahrensschritt nach Aushärten der Klebeverbindungen (30,31) die Justierschicht (32) entfernt wird.