DE60110533T2

DE60110533T2 - Elektrostriktives Ventil zum Modulieren eines Flüssigkeitsstroms

Info

Publication number: DE60110533T2
Application number: DE60110533T
Authority: DE
Inventors: Ravi Rochester Sharma; Gilbert A. Rochester Hawkins; Jeffrey I.c/o Eastman Kodak Co Hirsh
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: EP1215426A2; US6626416B2; EP1215426B1; DE60110533D1; US20020100888A1; EP1215426A3

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Ventile für Flüssigkeiten und insbesondere ein Mikroventil, das mittels elektrostatischer Kräfte ein im Durchgang eines Ventilgehäuses angeordnetes viskoelastisches Material zum Modulieren eines Flüssigkeitsstroms verformt.
Mikroventile zum Modulieren eines Flüssigkeitsstroms sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Diese Ventile finden insbesondere auf Gebieten wie beispielsweise der analytischen Chemie, wo eine genaue und dosierte Steuerung einer sehr kleinen Flüssigkeitsprobe verlangt wird, Anwendung. Diese Ventile finden ferner auch Anwendung in Druckern für eine genaue und schnelle Steuerung eines Farbstoffstroms, eines Tintenstroms oder eines Stroms einer anderen bilderzeugenden Flüssigkeit.
Die bekannten Ventile arbeiten häufig mit elektromechanischen Mechanismen, die zwar ihren Zweck erfüllen, für die zum Modulieren kleiner Flüssigkeitsströme notwendigen Kleinstgrößen jedoch in der Fertigung relativ komplex und teuer sind. So sind beispielsweise Mikroventile mit piezoelektrischen Materialien bekannt, bei denen durch Anlegen elektrischer Impulse an piezoelektrische Kristalle ein Ventilelement in eine Position bewegt werden kann, in der es den Flüssigkeitsdurchgang blockiert, oder in eine Position, in der es den Flüssigkeitsdurchgang freigibt. Leider bestehen piezoelektrische Kristalle aus spröden, keramischen Materialien, die insbesondere für mikromechanische Anwendungen in der Bearbeitung schwierig und teuer sind. Außerdem sind piezoelektrische Materialien im Allgemeinen mit Flüssigkeiten nicht kompatibel. Daher müssen Ventile, die mit einer piezoelektrischen Bewegung arbeiten, so konstruiert werden, dass die piezoelektrischen Kristalle mit flüssigen Materialien nicht in Berührung kommen können. Hinzu kommt, das piezoelektrische Materialien im Allgemeinen nicht mit bekannten CMOS-Prozessen hergestellt werden können. Das bedeutet, dass die zur Erzeugung und Steuerung einer piezoelektrischen Bewegung in einem Mikroventil erforderlichen elektrischen Schaltungen möglicherweise leicht und billig nach CMOS-Prozessen hergestellt werden können, die Integration der piezoelektrischen Materialien und dieser Schaltungen jedoch relativ spezialisierte und langsame Fertigungsschritte erfordert.
Es besteht so zweifellos ein Bedarf für ein Mikroventil, mit dem ein Flüssigkeitsstrom genau und schnell moduliert werden kann, das aber keine relativ teure und schwierige Bearbeitung erfordert. Im Idealfall sollten alle Bauteile eines solchen Mikroventils aus relativ billigen, leicht zu bearbeitenden Materialien hergestellt werden können, die sowohl mit Flüssigkeitskontakt als auch mit CMOS-Fertigungsverfahren kompatibel sind.
Die Erfindung schafft im Prinzip ein elektrostriktives Mikroventil zum Modulieren eines Flüssigkeitsstroms, das alle vorstehend erwähnten Mängel der bekannten Mikroventile beseitigt oder mindestens verringert. Das erfindungsgemäße Mikroventil umfasst grundsätzlich ein Ventilgehäuse mit einem Durchgang zum Leiten eines Flüssigkeitsstroms, ein Ventilelement, das aus einem Stück eines viskoelastischen Materials besteht und im Durchgang angeordnet ist, und eine Steuerungsanordnung, die mit dem viskoelastischen Material verbunden ist, um die Form des viskoelastischen Materials elektrostatisch so zu steuern, dass der Durchgang geöffnet und geschlossen werden kann.
Die Steuerungsanordnung kann zwei aufeinander gegenüberliegenden Seiten des viskoelastischen Materials angeordnete Elektroden aufweisen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungsanordnung eine über die beiden Elektroden angeschlossene elektrische Spannungsquelle auf und einen Schaltkreis zum wahlweisen Anlegen einer Spannung von der Quelle über die Elektroden, um dazwischen eine elektrostatische Kraft zu erzeugen. Eine der Elektroden ist eine biegbare, elektrisch leitende Beschichtung, die auf einer oberen, mit der Flüssigkeit in Berührung stehenden Seite des viskoelastischen Materials angebracht ist, während die andere Elektrode aus einer Vielzahl miteinander verbundener Platten besteht, die auf der anderen Seite des viskoelastischen Materials ein Ladungsbild erzeugen, wenn die Spannungsquelle über die Elektroden angeschlossen wird. Die Formgebung der unteren Elektrode erzeugt örtlich begrenzte elektrostatische Kräfte über das viskoelastische Material, die ihrerseits im gesamten Material eine sinusförmige Welligkeit erzeugen, deren Spitzen im gesamten Ventilgehäuse als Hindernisse fungieren, die einen Flüssigkeitsstrom ganz oder teilweise blockieren.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht die untere Elektrode aus einer Fotoleiterschicht, die einseitig mit einer gemusterten, lichtblockierenden Maske abgedeckt ist. Die Steuerungsanordnung legt an die obere und untere Elektrode kontinuierlich eine Vorspannung an. Wenn die Öffnungen in der Maske Licht durchlassen, wird zwischen den beiden Elektroden ein elektrostatisches Ladungsbild erzeugt, das wiederum in dem viskoelastischen Material, aus dem das Ventilelement besteht, eine sinusförmige Welligkeit erzeugt.
Das erfindungsgemäße elektrostriktive Mikroventil wird aus relativ billigen und leicht zu bearbeitenden Materialien hergestellt. Die Elektrodenstruktur der Steuerungsanordnung kann bequem in CMOS-Technik gefertigt werden. Die natürlichen elastischen Eigenschaften handelsüblicher viskoelastischer Materialien ermöglichen in vorteilhafter Weise einen Betrieb des erfindungsgemäßen Mikroventils mit Frequenzen bis zu 12,5 kHz.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1A eine perspektivische Ansicht einer Röhre, in der das erfindungsgemäße elektrostriktive Mikroventil einen Flüssigkeitsstrom moduliert;
1B eine stirnseitige Querschnittsansicht der in 1A dargestellten Röhre über die Linie 1B-1B;
1C eine stirnseitige Querschnittsansicht der in 1A dargestellten Röhre über die Linie 1C-1C, die einen Querschnitt des darin eingebauten Mikroventils zeigt;
2A eine perspektivische Ansicht des Ventilelements und eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung nach Ausbau aus der in 1A dargestellten Röhre;
2B eine perspektivische Ansicht des Ventilelements und eine zweite Ausführungsform der Steuerungsanordnung nach Ausbau aus der in 1A dargestellten Röhre;
3A eine vergrößerte seitliche Querschnittsansicht des in 1A dargestellten Mikroventils, in der sich das Ventilelement in einer flüssigkeitsleitenden Position befindet;
3B das in 3A dargestellte Mikroventil, nachdem das Ventilelement von der Steuerungsanordnung in eine flüssigkeitsblockierende Position gepresst wurde und
4 eine seitliche Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroventils mit zwei einander gegenüberliegend angeordneten, zusammenwirkenden Ventilelementen.
In 1A, 1B und 1C weist das erfindungsgemäße elektrostriktive Mikroventil 1 ein Ventilgehäuse 3 auf, das bei diesem Beispiel aus einem Abschnitt einer mit einer druckbeaufschlagten Flüssigkeitsquelle 6 verbundenen Röhre besteht. In diesem Beispiel weist die Röhre 5 einen Durchgang 7 mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf, wie am besten aus 1B ersichtlich. Der Durchgang 7 der Röhre 5 erstreckt sich von der druckbeaufschlagten Flüssigkeitsquelle 6 zu einem Flüssigkeitsauslass 8. Der Auslass 8 kann beispielsweise eine Düse zum Einspritzen extrem kleiner Lösungsmittel- oder Lösungsmengen in einem analytischen chemischen Gerät sein. Die druckbeaufschlagte Flüssigkeitsquelle 6 kann aber auch als Tintenreservoir dienen und die Röhre 5 und der Auslass 8 als Stift für Aufzeichnungen auf einem sich bewegenden Kurvenblatt in einem Messgerät, beispielsweise einem Lügendetektor oder einem EKG-Gerät, verwendet werden.
In 1C und 2A besteht das Ventilelement 9 des elektrostriktiven Mikroventils 1 aus einem rechteckförmigen Stück eines viskoelastischen Materials, wie zum Beispiel dem von der Dow Corning Chemical Corporation in Midland, Michigan, USA, unter der Bezeichnung "Sylguard 170" vertriebenen Silikonelastomer. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses spezielle Material beschränkt, sondern umfasst alle Elastomere mit viskoelastischen Eigenschaften. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann das viskoelastische Material, aus dem das Ventilelement 9 besteht, 5 bis 10 μm dick sein.
In 2A umfasst die Steuerungsanordnung 11 obere und untere Elektroden 13a, 13b, welche obere und untere Flächen des Ventilelements 9 sandwichartig abdecken. Die Elektroden 13a, 13b sind ihrerseits über einen Leiter 17, der aus in CMOS-Technik auf der Oberfläche der Röhre 5 hergestellten Metallstreifen bestehen kann, verbunden. Die obere Elektrode 13a kann aus einer dünnen Schicht eines biegbaren, leitenden Materials bestehen, das auf die Oberseite des Ventilelements 9 aufgedampft oder mit einer anderen CMOS-kompatiblen Beschichtungstechnik aufgebracht wird. Leitfähige Materialien, die für die Schicht 20 verwendet werden können, sind zum Beispiel elektrisch leitende Polymere, z.B. Polypyrrol, Polyanalin und Polythiophen. Stattdessen können zum Bilden der Schicht 20 auch verhältnismäßig reaktionsträge Metalle, wie z.B. Gold, Silber oder Nickel verwendet werden. Andere leitende Metalle, wie z.B. Aluminium, könnten natürlich ebenfalls verwendet werden. Reaktionsträge metallische Beschichtungen werden jedoch im Allgemeinen bevorzugt, weil sie mit einer größeren Vielzahl von Flüssigkeiten in Berührung gebracht werden können, ohne zu korrodieren. Elektrisch leitender diamantartiger Kohlenstoff kann ebenfalls verwendet werden. In allen Fällen kann die Dicke der Schicht 20 zwischen 0,2 und 1 μm liegen. Die untere Elektrode 13b kann aus dem gleiche Material bestehen wie die obere Elektrode 13a. Da die untere Elektrode 13b jedoch nicht biegbar sein muss, kann sie gegebenenfalls aus dickeren oder steiferen elektrisch leitenden Materialien hergestellt werden. Die untere Elektrode 13b besteht aus einer Vielzahl leitender Platten 22a–c, die durch Überbrückungsklemmen 24 elektrisch miteinander verbunden sind. Leitende Streifen 25a, 25b verbinden die leitende Schicht 20 und die leitenden Platten 22a–c über einen Schaltkreis 28 mit einer Gleichspannungsquelle 26. In der bevorzugten Ausführungsform liefert die Gleichspannungsquelle 26 Spannungen in der Größenordnung von 40 bis 120 Volt.
2B zeigt eine alternative Ausführungsform der Steuerungsanordnung 11, die optoelektronisch (im Gegensatz zu elektronisch) betrieben wird. Wie bei der ersten Ausführungsform besteht die obere Elektrode 13a aus einer Schicht biegbaren, leitenden Materials, die wiederum aus den vorher erörterten Materialien bestehen und die gleiche Dicke aufweisen kann. Dagegen besteht die untere Elektrode 13b aus einer Fotoleiterschicht 32 in Kombination mit einer Lichtmaske 34. Die Lichtmaske 34 kann mit normalen fotolithographischen Verfahren auf die Unterseite des Fotoleiters 32 aufgebracht werden und definiert ein Muster abwechselnd lichtblockierender Platten 36 und lichtleitender Fenster 37. Als Spannungsquelle 15 kann bei dieser Ausführungsform eine Gleichspannungsquelle 38 verwendet werden, die über die oberen und unteren Elektroden 13a, 13b eine Vorspannung anlegt. Ein weiteres Bauteil der Steuerungsanordnung 11 ist bei dieser alternativen Ausführungsform eine Laserlichtquelle 40, mit der durch die zwischen den lichtblockierenden Platten 36a, 36b ausgebildeten lichtleitenden Fenster 37a–c Laserlicht geschickt werden kann.
Die Arbeitsweise der ersten Ausführungsform des elektrostriktiven Mikroventils 1 lässt sich am besten anhand von 3A und 3B beschreiben. Wenn zwischen den oberen und unteren Elektroden 13a, 13b kein elektrisches Potential anliegt, nimmt das viskoelastische Material, aus dem das Ventilelement 9 besteht, die in 3A dargestellte flache Rechteckform an, sodass Flüssigkeit durch den Durchgang 7 der Röhre 5 fließen kann. Diese flache Rechteckform des Elements 9 wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung als "flüssigkeitsleitende Form" des Elements 9 bezeichnet. Wenn jedoch, wie in 3b gezeigt, durch Betätigung des Schaltkreises 28 der Steuerungsanordnung 11 von der Gleichspannungsquelle 26 eine Spannung über die oberen und unteren Elektroden geleitet wird, beaufschlagen die auf den leitenden Platten 22a–c konzentrierten elektrostatischen Ladungen die biegbare, leitende Schicht 20 über den Platten 22a–c mit einer örtlich begrenzten elektrostatischen Kraft, die eine Vielzahl eingeschnürter Abschnitte 46 mit eingestreuten vergrößerten Abschnitten 48 des viskoelastischen Materials, aus dem das Ventilelement 9 besteht, erzeugt. Zusammen bilden die eingeschnürten und vergrößerten Abschnitte 46, 48, wie gezeigt, eine sich über das gesamte Ventilelement erstreckende sinusförmige Welligkeit, wobei sich die Spitzen der vergrößerten Abschnitte 48 an die obere Innenwand 44 des Durchgangs 7 anlegen. Dadurch wird der Flüssigkeitsstrom durch den Durchgang 7 natürlich blockiert. Aus diesem Grund wird die Sinusform des in 3B dargestellten Ventilelements 9 im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung als "flüssigkeitsblockierende Form" des Ventilelements 9 bezeichnet. Die relative Amplitude der von dem Ventilelement 9 angenommenen Sinusform ist in 3B übertrieben dargestellt, um den Erfindungsgedanken zu verdeutlichen. Berechnungen zeigen, dass für ein Ventilelement 9 mit einer Dicke von 8 μm und einer axialen Länge von 20 μm das Anlegen einer Spannung von 80 Volt zwischen den Elektroden 13a, 13b eine Amplitude der sinusförmigen Ablenkung in der Größenordnung von 0,2 μm ergibt.
Die Arbeitsweise der in 2B dargestellten optoelektronischen Steuerungsanordnung 11 entspricht der vorher beschriebenen Arbeitsweise der in 2A dargestellten Ausführungsform insofern, als das resultierende elektrostatische Feld in dem Ventilelement 9 eingeschnürte und vergrößerte Abschnitte 46, 48 erzeugt, die zusammen dem Element 9 eine flüssigkeitsblockierende Sinusform verleihen. Das elektrostatische Feld wird jedoch in diesem Fall auf etwas andere Weise erzeugt. Hier legt die Gleichspannungsquelle 38 über die Elektroden 13a, 13b kontinuierlich eine Vorspannung an. Wenn die Laserlichtquelle 40 kein Licht durch die Fenster 37a–c der Maske 34 schickt, wird das von der Quelle 38 erzeugte elektrostatische Feld jedoch gleichmäßig entlang des Bereichs beider Elektroden 13a, 13b angelegt, was eine Änderung der Form des im Ruhezustand rechteckigen Ventilelements 9 zur Folge hat. Wenn die Lichtquelle 40 Laserlicht mit einer einen Schwellenwert überschreitenden Amplitude durch die Fenster 37a–c schickt, werden Elektron-Loch-Paare erzeugt, die zur Oberseite des Fotoleiters 32 in dem in 2B dargestellten Muster wandern können, was wiederum die Ausbildung eines Musters abwechselnd positiv geladener Rechtecke auf der Oberseite des Fotoleiters 32 ermöglicht. Dieses Muster abwechselnd positiver Ladungen übt auf die Bereiche der negativ geladenen leitenden Schicht 20 unmittelbar darüber eine elektrostatische Anziehungskraft aus und erzeugt dadurch eingeschnürte Abschnitte 46, die ihrerseits die Ausbildung vergrößerter Abschnitte 48 in dem Ventilelement 9 bewirken.
Es wurde festgestellt, dass für die Beziehung zwischen der Verformungsamplitude des Ventilelements 9 und der Dauer der Belichtung folgende Formel gilt:
γ = eine Materialkonstante des Elastomers
V = Gleichspannung, die als Vorspannung gleichmäßig an die Vorrichtung angelegt und während der Belichtung des Fotoleiters konstant gehalten wird.
V_po = Spannung über den Fotoleiter zu Beginn der Belichtung
t = Belichtungsdauer
tr = Reaktionszeit der Vorrichtung, d.h. die Zeit, welche die an der Fotoleiterschicht anliegende Spannung braucht, um während der Belichtung auf null abzufallen.
Es wurde ferner festgestellt, dass beide Ausführungsformen des elektrostriktiven Mikroventils mit Frequenzen in der Größenordnung von 12,5 kHZ arbeiten können.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrostriktiven Mikroventils 1. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Ventilelemente 9a, 9b über den unteren und oberen Innenwänden 42 bzw. 44 des Durchgangs 7 angebracht. Jedes dieser Ventilelemente ist seinerseits, wie gezeigt, sandwichartig zwischen zwei Elektroden 13a, 13b angeordnet. Wenn der Schaltkreis 28 im Betrieb die Gleichspannungsquelle 26 mit beiden Elektrodenpaaren 13a, 13b verbindet, legen sich die Spitzen der vergrößerten Abschnitte 48 wie gezeigt an, μm den Flüssigkeitsstrom durch den Durchgang 7 zu blockieren. Die in 4 dargestellte Ausführungsform hat zwei Vorteile. Erstens ist der Öffnungsquerschnitt des Durchgangs 7 während der flüssigkeitsleitenden Formgebung der Ventilelemente 9a, 9b doppelt so groß wie bei Verwendung nur eines Ventilelements 9. Zweitens bilden die sich anlegenden Spitzen der vergrößerten Abschnitte 48 eine dichtere Flüssigkeitsdichtung als bei Verwendung nur eines Elements 9.
Es sei ferner vermerkt, dass der Schaltkreis 28 in allen Fällen vorzugsweise auch in der Lage ist, die Polarität der Gleichspannungsquelle zu ändern, um das Ventilelement 9 wirksamer in einen flüssigkeitsleitenden Zustand zurückzuversetzen, als dies möglich ist, wenn dafür nur die viskoelastischen Eigenschaften des Elements 9 zur Verfügung stehen. Diese Polaritätsänderungsfähigkeit hat den Vorteil eines häufigeren Umschalten des Ventils zwischen der geöffneten und der geschlossenen Stellung.

Claims

Elektrostriktives Mikroventil zum Modulieren eines Flüssigkeitsstroms, mit einem Ventilgehäuse, das einen Durchgang zum Leiten eines Stroms der Flüssigkeit aufweist; einem Ventilelement, das aus einem Stück eines viskoelastischen Materials besteht und im Durchgang angeordnet ist; und einer Steuerungsanordnung, die mit dem viskoelastischen Material verbunden ist, um die Form des Materials derart zu steuern, dass der Durchgang geöffnet und geschlossen werden kann.
Elektrostriktives Mikroventil nach Anspruch 1, worin die Steuerungsanordnung eine erste und zweite Elektrode aufweist, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des viskoelastischen Materials angeordnet sind.
Elektrostriktives Mikroventil nach Anspruch 2, worin die Steuerungsanordnung eine elektrische Spannungsquelle aufweist, die mit der ersten und zweiten Elektrode verbunden sind, und einen Schalter umfasst zum wahlweisen Anlegen einer Spannung von der Quelle über die Elektroden, um dazwischen eine elektrostatische Kraft zu erzeugen.
Elektrostriktives Mikroventil nach Anspruch 2, worin mindestens eine der Elektroden eine elektrisch leitende Beschichtung ist, die auf eine der Seiten des viskoelastischen Materials aufgebracht ist.
Elektrostriktives Mikroventil nach Anspruch 4, worin die Beschichtung eine biegbare Metallbeschichtung ist.
Elektrostriktives Mikroventil nach Anspruch 4, worin die Beschichtung ein elektrisch leitendes Polymer ist.
Elektrostriktives Mikroventil nach Anspruch 3, worin der Schalter wahlweise eine mittels der Spannungsquelle zwischen den Elektroden angelegte Polarität der elektrischen Spannung verändert.
Elektrostriktives Mikroventil nach Anspruch 1, worin das Ventilelement aus einem einzigen Stück viskoelastischen Materials besteht, das an einer Wandung des Durchgangs befestigt ist.
Elektrostriktives Mikroventil nach Anspruch 1, worin das Ventilelement aus zwei Stücken viskoelastischen Materials besteht, von denen jedes an einander gegenüberliegenden Wandungen des Durchgangs befestigt ist und worin jedes mit der Steuerungsanordnung verbunden ist.
Elektrostriktives Mikroventil nach Anspruch 2, worin die Steuerungsanordnung einen Fotoleiter zum Steuern der Erzeugung einer elektrostatischen Kraft zwischen den Elektroden umfasst, um das viskoelastische Material wahlweise derart zu verformen, dass der Durchgang geöffnet oder geschlossen werden kann.