Beschreibung;
Die Erfindung betrifft ein Mikroventil
a) mit einem Substrat, das mindestens einen Durchbruch aufweist,
b) mit einer senkrecht auf einer der beiden Oberflächen des Substrats feststehenden, zylinderförmigen Achse,
c) mit einem hohlzylinderförmigen Rotor, der frei um die Achse
drehbar ist und mindestens einen parallel zur Achse verlaufenden durchgehenden Kanal aufweist,
d) mit einem Gehäuse, das mit der einen Oberfläche des Substrats verbunden ist und einen zylinderförmigen, einseitig
offenen Innenraum umschließt, der den Rotor und die Achse aufnimmt,
e) mit einer Deckplatte, die den Innenraum des Gehäuses abschließt
und mindestens einen Durchbruch aufweist,
f) der oder die Durchbrüche des Substrats und der oder die Kanäle des Rotors in einer besonderen Stellung des Rotors
miteinander fluchten.
Ein Mikroventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung ist aus der DE-C 39 17 423 bekannt. Die Hauptkomponenten dieses
Mikroventils sind zwei plattenförmige Ventilelemente, die zueinander
komplementär sind. Beide Ventilelemente enthalten eine Vielzahl von Ventilsitzen bzw. hierzu korrespondierenden
Schließkörpern, die ineinandergreifen. Die Herstellung dieser Ventilelemente erfolgt in einem fünfstufigen Verfahren. Im ersten
Schritt wird ein plattenförmiger Körper durch anisotropes Ätzen oder durch photolithographische Methoden oder durch
Kunststoffabformung strukturiert. Danach wird das auf diese Weise erhaltene Ventilelement mit einer Trennschicht versehen
und in der darauffolgenden (dritten) Stufe z. B. durch Kunststoff-Spritzguß
abgeformt. Nach der Entfernung der Trennschicht (vierte Stufe) wird die Rückseite des bei der Abformung
entstandenen Formkörpers mechanisch bearbeitet.
Das mit diesen beiden Ventilelementen hergestellte Mikroventil
ist in ein zylindrisches Gehäuse mit axial angebrachten Anschlußstutzen eingebaut, dessen Deckel abnehmbar ist. Der Ventilantrieb
besteht aus einem zu den Anschlußstutzen koaxialen zylindrischen gehäusefesten Teil, das mit einem Flansch auf
den Boden des Gehäuses abgestützt ist, einem weiteren zylindrischen, zu den Anschlußstutzen koaxialen beweglichen Teil
mit einem weiteren Flansch, der über eine Tellerfeder am Deckel abgestützt ist, sowie Mitteln zum axialen Antrieb des
beweglichen zylindrischen Teils, wobei die Ventilelemente an den einander zugewandten Enden der beiden zylindrischen Teile
angebracht sind.
Die Mittel zum axialen Antrieb sind z. B. eine Vielzahl von Ringen aus piezoelektrischem Material oder ein rohrförmiges
magnetostriktives Element.
Aus der DE-A 39 17 396 ist ein weiteres Mikroventil bekannt, das einen Stapel aus mindestens 2 Ventilplatten aufweist, die
mit gestreckten Ventilöffnungen versehen sind. Die Ventilplatten lassen sich durch Verschieben relativ zueinander mit Hilfe
eines elektrostatischen Antriebs in eine Öffnungsposition, in der die Ventilöffnungen miteinander fluchten, sowie in eine
Schließstellung, in der die Ventilöffnungen abgedeckt sind, bringen. Die Herstellung der Ventilplatten und der Aufbau des
kompletten Mikroventils mit den in ein Gehäuse eingesetzten Ventilplatten geschieht in ähnlicher Weise wie bei der oben
zitierten Patentschrift.
Bei den bekannten Mikroventilen müssen kleine Einzelteile mit Hilfe von Federn in einem Gehäuse montiert werden. Deshalb
müssen die bekannten Mikroventile einzeln gefertigt werden; sie sind weniger für eine serienmäßige Produktion geeignet.
Aus einem Vortrag von U. Wallrabe, P. Bley, B. Krevet, W. Menz
und J. Mohr mit dem Titel "Theoretical and Experimental Results of an Electrostatic Micro Motor with Large Gear Ratio
Fabricated by the LIGA Process" während des Fifth International Workshops on Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS ·92)
vom 4. bis 7. Februar 1992 in Travemünde (schriftliche Veröffentlichung
in den Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Travemünde, Deutschland 1992, IEEE Catalog Number
92CH3093-2, pp. 139-140) ist ein Mikromotor bekannt, der aus einem drehbaren zylinderförmigen Rotor mit einer Vielzahl von
Kondensatorplatten auf seiner äußeren Zylindermantelfläche, einer feststehenden Rotorachse und sechs feststehenden Statorelementen,
die sternförmig um den Rotor angeordnet sind, bekannt. Als Herstellungsverfahren ist der LIGA (Röntgentiefen^.
Lithographie und galvanische Abformung) - Prozeß angegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroventil vorzuschlagen,
das sich in Serienfertigung mit einem Mindestmaß an Montageschritten herstellen läßt. Das Mikroventil soll eine
Größe von 1 bis 2 mm nicht überschreiten, so daß es sich in der Mikrotechnik einsetzen läßt.
Die Aufgabe wird durch das eingangs beschriebene Mikroventil gelöst. In den abhängigen Schutzansprüchen sind besonders bevorzugte
Ausführungsformen gekennzeichnet.
Beim erfindungsgemäßen Mikroventil sind auf einem Substrat ein
Gehäuse mit zylinderförmigem Innenraum und eine feststehende Rotorachse aufgebaut. Um die Rotorachse ist ein drehbarer Rotor
angeordnet. Das Gehäuse ist mit einer Deckplatte verschlossen. Substrat und Deckplatte weisen jeweils mindestens
einen Durchbruch zum Innenraum des Gehäuses auf. Der Durchbruch in der Deckplatte dient als Zuführung für das zu steuernde
Medium; der Abfluß erfolgt über Durchbrüche im Substrat. Die Durchbrüche können mit Anschlußstutzen versehen werden.
Der Rotor enthält mindestens einen Kanal, der zur Rotorachse parallel verläuft. Die Durchbrüche im Substrat, vorzugsweise
auch der oder die Durchbrüche in der Deckplatte sind so angeordnet, daß sie in mindestens einer Stellung des Rotors mit
dem Kanal fluchten.
In der einfachsten Ausführungsform enthalten Substrat und
Deckplatte jeweils einen Durchbruch, wobei die Durchbrüche vorzugsweise genau übereinander liegen, und der Rotor einen
einzigen Kanal. Mit dieser Konfiguration wird ein Zweiwegeventil realisiert, das für ein Medium den Weg freigibt, wenn die
Durchbrüche und der Kanal miteinander fluchten und das geschlossen ist, wenn der Rotor so weit gedreht wird, daß seine
dem Substrat gegenüberliegende Fläche den Durchbruch im Substrat abdeckt. Prinzipiell ist es zwar nicht notwendig, daß in
dieser Stellung auch der Durchbruch in der Deckplatte mit dem Kanal und dem Durchbruch im Substrat fluchtet. Bei einer solchen
Anordnung vermindert sich jedoch der Strömungswiderstand des Mediums.
Man erhält ein Dreiwegeventil, wenn der Rotor einen Kanal enthält,
in der Deckplatte ein Durchbruch und im Substrat zwei Durchbrüche vorgesehen sind.
Durch entsprechend spiegelbildliche Anordnung der Durchbrüche in Substrat und Deckplatte lassen sich in gleicher Weise entsprechende
Mehrwege-Mischer herstellen.
Z. B. läßt sich ein Dreiwegemischventil läßt sich realisieren, wenn der Rotor zwei z. B. im Winkel von 180° angeordnete
Kanäle enthält, die in der geöffneten Stellung mit zwei Durchbrüchen im Substrat fluchten. Die Deckplatte enthält in diesem
Fall einen oder - zur Verminderung des Strömungswiderstands des Mediums - mehrere Durchbrüche. In ähnlicher Weise lassen
sich Mehrwegeventile mit einer größeren Zahl von Anschlüssen realisieren.
Besonders bevorzugt ist ein solches Mikroventil, bei dem das
Substrat an der Stelle des Rotors eine gegen den Rotor und seine Achse elektrisch isolierte Metallschicht enthält und Rotor
und Achse aus Metall aufgebaut sind. In diesem Fall ist es möglich, an die Metallschicht und den Rotor bzw. seine Achse
eine Spannung anzulegen, mit deren Hilfe der Rotor mit auf einfache Weise einstellbarer Kraft auf das Substrat gepreßt
wird. Durch diese Maßnahme läßt sich die Dichtheit des Mikroventils wesentlich verbessern. Ohne diese Vorkehrung erfolgt
die Abdichtung durch den Druck des Mediums, durch den der Rotor auf das Substrat gepreßt wird.
Prinzipiell läßt sich der Rotor des Mikroventils pneumatisch antreiben, sofern die Vermischung des zu steuernden Mediums
mit dem Druckgas des pneumatischen Antriebs tolerierbar ist. Besonders bevorzugt ist jedoch ein solches Mikroventil, bei
dem der Rotor zusätzlich mit senkrecht zur Achse verlaufenden Kondensatorplatten und das Gehäuse zusätzlich mit Statorpolen
versehen wird, die dessen Innenraum begrenzen, so daß der aus der Veröffentlichung U. Wallrabe et al bekannte Antrieb realisiert
werden kann. Hierdurch läßt sich eine besonders hohe Kraft auf den Rotor übertragen.
Hierbei sind die Statorpole gegenüber den Kondensatorplatten versetzt angeordnet, so daß der Rotor sich durch Anlegen eines
Drehfeldes bewegt.
Die Größe der erfindungsgemäßen Mikroventile beträgt vorzugsweise
0,1 mm bis 1 mm.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Mikroventils wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. l eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Mikroventil
ohne Deckplatte in geschlossenem Zustand;
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Zwischenstadium beim Aufbau des Mikroventils in Richtung A-A, wobei der Rotor gegenüber
Fig. 1 um 90° gedreht ist;
Fig. 3 einen Querschnitt in Richtung A-A des in Fig. 1 dargestellten
Mikroventils, wobei der Rotor gegenüber Fig. 1 um 90° gedreht ist.
Ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Rotorposition soll die Funktionsweise des Mikroventils beschrieben werden. Die
durch die Bezugszeichen in Fig. 1 bezeichneten Elemente sind in den Fig. 2 und 3, die den Aufbau und das Herstellungsverfahren
erläutern, dargestellt.
In Fig. 1 befindet sich das Ventil in einem geschlossenen Zustand.
Die Dichtheit wird gewährleistet zum einen durch den auf dem Rotor anstehenden Druck des Mediums innerhalb des Gehäuses,
das über die Durchbrüche 61 der Deckplatte einströmt, zum andern dadurch, daß zwischen Rotor bzw. Rotorachse und Metallschicht
2, die auf dem isolierenden Substrat aufgebracht ist, eine Spannung angelegt wird, die über die Isolationsschicht
3 abfällt und den Rotor nach unten zieht. Die Kontaktierung des Rotors erfolgt über die Achse entweder von der
Grundplatte aus über die Schicht 23 oder von der Deckplatte. Der letzte Fall setzt eine etwas modifizierte Deckplatte voraus,
die in den Figuren nicht dargestellt ist. Um den Rotor zu bewegen, wird diese Spannung weggenommen und an die Statorpolpaare
57a, 57b, 57c wechselseitig Spannung angelegt. Sobald der rotor sich soweit bewegt hat, daß die Kanäle 58c im Rotor
sich mit den Durchbrüchen 11 des Substrats 1 überlappen, strömt das Medium über die Durchbrüche 11 im Substrat aus dem
Ventil ab. Der Volumenstrom richtet sich dabei nach der Größe der Durchbrüche und Kanäle und nach dem Grad der Überlappung.
Das erfindungsgemäße Mikroventil kann beispielsweise auf die
im folgenden beschriebene Art hergestellt werden.
In eine Grundplatte 1 (Dicke ca. 1 mm, Fläche 75 · 90 mm) aus einem elektrisch isolierenden Material (Keramik, Silizium o.
ä.) werden in Bereichen mit einem Durchmesser von ca. 3 bis 5 mm zugleich 100 Mikroventile hergestellt. Hierzu werden jeweils
zwei Gruben 11 eingeätzt, aus denen im weiteren Verlauf des Verfahrens die Öffnungen hergestellt werden. Auf der den
Gruben gegenüberliegenden Seite der Grundplatte wird durch Methoden der Dünnschichttechnologie (PVD- oder CVD-Verfahren)
eine ca 0,4 bis 0,5 &mgr;&igr; dicke Schicht 2 eines Metalls aufgetragen.
Das Metall muß selektiv gegen das Material der Grundplatte ätzbar sein; verwendbar ist z. B. Wolfram oder eine
Schichtfolge Chrom-Silber.
Auf der metallischen Schicht 2 wird eine elektrisch isolierende Schicht 3 aufgebracht. Als elektrisch isolierende
Schicht sind die bekannten Resistmaterialien wie Photolacke, Polyimide etc. einsetzbar. Das Auftragen der Schicht erfolgt
beispielsweise durch Schleuderverfahren mit anschließender Polymerisierung. Anschließend wird die elektrisch isolierende
Schicht 3 durch Photolithographie strukturiert und entwickelt, wonach die freigelegten Bereiche der metallischen Schicht
durch Abätzen entfernt werden. Anschließend wird die elektrisch isolierende Schicht 3 erneut strukturiert und erneut
entwickelt, wonach in weiteren Bereichen die metallische Schicht 2 freigelegt ist.
Alternativ hierzu kann die metallische Schicht 2 z. B. durch Ionenbeschuß strukturiert werden. Die strukturierte metalli-
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sehe Schicht wird mit der Schicht aus dem Resistmaterial überdeckt
und das Resistmaterial durch Photolithographie strukturiert.
In beiden Fällen ergibt sich das selbe Zwischenprodukt. An den Stellen 29 oberhalb der Gruben 11 und an den weiteren Stellen
26, 27 und 28 liegt das Substrat frei. An den Stellen 23, 24 und 25 ist lediglich die isolierende Schicht entfernt. An den
Stellen 21 und 22 bleiben sowohl die metallische Schicht als auch die isolierende Schicht stehen.
Die strukturierten Schichten 2 und 3 werden anschließend mit einer Opferschicht 4 überdeckt. Das Material der Opferschicht
4 muß sich selektiv gegen die übrigen Materialien z. B. durch Abätzen entfernen lassen; diese Bedingung erfüllt im allgemeinen
Titan. Die Dicke der Opferschicht liegt im Bereich von 3 bis 5 Mm. Größere Dicken sollten wegen der Gefahr der Unterätzung
vermieden werden. Diese Opferschicht wird so strukturiert, daß an den Stellen 23, 24, 25 kein Titan mehr vorhanden
ist.
Schließlich wird auf den strukturierten Schichten eine dicke Schicht 5 aus Polymethylmethacrylat (PMMA) aufgetragen. Die
Dicke dieser Schicht beträgt etwa 100 bis 500 /im; sie bestimmt
die Höhe des fertigen Mikroventils. Das PMMA wird mit den bekannten Methoden der Rontgentiefenlithographie in der Weise
strukturiert, daß das PMMA an den Stellen 51 bis 54 stehen bleibt. An den Stellen 56 bis 59 wird das PMMA entfernt; diese
Stellen werden galvanisch mit einem Metall, etwa Nickel, aufgefüllt. Die Stellen 57 bilden die Statorpole eines elektrostatisch
angetriebenen Läufers, die Stellen 53 den Kondensatorspalt zwischen Läufer und Stator, die Stellen 58 bzw. 58a
und 58 b den Rotor, die Stellen 59 die Achse des Rotors und die Stellen 54 das Lagerspiel zwischen Achse und Rotor. Die
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Stellen 58c sind die Kanäle im Rotor. Die Stellen 56 stellen das Gehäuse des Mikroventils dar, durch das das Ventil nach
außen abgedichtet ist.
Schließlich wird das PMMA mit einem geeigneten Lösungsmittel wie Ethylacetat oder Tetrahydrofuran herausgelöst. Die stehengebliebenen
Bereiche 26 bis 29 der Opferschicht 4 und die Substratbereiche 12 oberhalb der gruben 11 werden entfernt, so
daß man die in Fig. 2 dargestellte Anordnung erhält. Diese Anordnung wird nun mit Hilfe der Aufbau- und Verbindungstechnik
mit einer Deckplatte 6 abgedeckt, die auf dem Ventilkörper 56 aufliegt und oberhalb des Rotors die Öffnungen 61 enthält.
Im Vergleich zu Fig. 2 ist der Rotor in Fig. 3 um 90° versetzt, so daß sich das Ventil im geöffneten Zustand befindet.
Der Rotor ist von Statorpolen umgeben; sowohl die Zylindermantelfläche
des Rotors wie auch die dem Rotor zugewandten Flächen der Statorpole sind mit einer die ganze Oberfläche abdeckenden
Rechteckzahnung versehen. Jeweils ein Rotor- und Statorzahn stellen einen Plattenkondensator dar. Zum Antrieb
wird zwischen Statoren und Rotor eine elektrische Potentialdifferenz erzeugt.
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Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Bürkert GmbH & Co.
Karlsruhe, den 07.07.1992 PLA 9228 RÜ/he
Ingelfingen, den 07.07.1992
Schutzansprüche
:
1. Mikroventil
a) mit einem Substrat, das mindestens einen Durchbruch aufweist,
b) mit einer senkrecht auf einer der beiden Oberflächen des Substrats feststehenden, zylinderformigen Achse,
c) mit einem hohlzylxnderformigen Rotor, der frei um die
Achse drehbar ist und mindestens einen parallel zur Achse verlaufenden durchgehenden Kanal aufweist,
d) mit einem Gehäuse, das mit der einen Oberfläche des Substrats verbunden ist und einen zylinderformigen, einseitig
offenen Innenraum umschließt, der den Rotor und die Achse aufnimmt,
e) mit einer Deckplatte, die den Innenraum des Gehäuses abschließt
und mindestens einen Durchbruch aufweist,
wobei
f) der oder die Durchbrüche des Substrats und der oder die Kanäle des Rotors in einer besonderen Stellung des Rotors
miteinander fluchten.