EP0700485B1 - Mikroventil - Google Patents

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EP0700485B1
EP0700485B1 EP94916136A EP94916136A EP0700485B1 EP 0700485 B1 EP0700485 B1 EP 0700485B1 EP 94916136 A EP94916136 A EP 94916136A EP 94916136 A EP94916136 A EP 94916136A EP 0700485 B1 EP0700485 B1 EP 0700485B1
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EP
European Patent Office
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microvalve
membrane structure
membrane
microvalve according
valve
Prior art date
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EP94916136A
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English (en)
French (fr)
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EP0700485A1 (de
Inventor
Thomas Lisec
Hans-Joachim Quenzer
Bernd Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15C—FLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
    • F15C3/00—Circuit elements having moving parts
    • F15C3/04—Circuit elements having moving parts using diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to a microvalve that can be used, for example, as a pilot valve in pneumatics.
  • Pneumatic controls are widely used in many areas of technology because they are characterized by a long service life, operational reliability and high forces.
  • An electro-mechanical converter (actuating element) actuated via an electrical signal acts directly or via several pressure stages on the actual valve stage (control element), which in turn manipulates a certain operating variable (pressure, flow) in the desired manner.
  • the main control elements used are cylindrical linear slide valves for main stages and cylindrical seat valves for direct-operated valves or pilot valves.
  • the solenoid has established itself as an actuating element, since this type of drive is characterized by a high work capacity and simple structure.
  • a classic solenoid valve made of molded plastic parts has dimensions of approx. 25x25x40 mm 3 , works at pressures up to 8 bar and requires approx. 2.5 W when actuated.
  • a trend towards miniaturization can also be observed in the field of pneumatics for certain applications in order to reduce costs, reduce material consumption, increase flexibility and improve switching properties.
  • the space requirement of small pneumatic valves is increasingly determined by the dimensions of the solenoid, the coil of which can only be reduced in size with a considerable increase in cost and inevitably falling performance.
  • Miniature solenoid valves (10x10x15 mm 3 ) manufactured using precision engineering are at least 5 times more expensive than classic solenoid valves.
  • EP 208386 discloses a silicon valve for flow control of a liquid which is manufactured using microstructure technology and which consists of a first planar part with an outlet opening and a second part with a planar surface which can be moved relative to the outlet opening in order to open and close it .
  • an external force is applied to it, e.g. exercised via a piston.
  • the entire construction necessary for the function of the valve is very complex.
  • actuating means used for the movement of a membrane as closing bodies in microvalves are known, for example, from DE 3919876.
  • Piezoelectrically or thermoelectrically operating coatings of the membrane, electrostatic or thermofluidic actuation are to be mentioned here in particular.
  • Piezoelectric and electostatic micro valves are also unable to provide the performance data required in pneumatics. Very high control voltages would be required to switch the high pressures that occur there (1 - 7 bar).
  • thermofluidic actuation is that the cooling process proceeds very slowly without additional disruptive aids (low dynamics).
  • a microvalve made of microstructurable material which consists of a first pressure-side part, which has a membrane structure as a movable closing body, and a second part connected to the first, with at least one outlet opening and at least one valve seat, at least one of which the two parts have one or more pits of defined depth.
  • the membrane structure is on one side with a material which has a different coefficient of thermal expansion than the membrane material at least partially coated so that when heated, the membrane structure bends against the applied pressure.
  • the membrane structure is provided with one or more heating elements.
  • the principle of operation of this microvalve is based on the thermomechanical effect which results from the different thermal coefficients of linear expansion of the membrane material and coating.
  • this mode of operation has the disadvantage that the high initial forces required for pneumatic controls when opening the valve can only be insufficiently achieved.
  • the present invention has for its object to provide a microvalve of the type in question, which is suitable for industrial pneumatic controls is inexpensive to manufacture using semiconductor technology and has improved switching properties.
  • the object is achieved with the microvalve specified in claim 1.
  • This consists of two parts.
  • the first part which is located on the side of the higher pressure p in (pressure side), has a membrane structure which is coated on one side with a material which has a coefficient of thermal expansion which differs from that of the membrane material.
  • the difference in the coefficients of linear expansion of the membrane material and coating material and the spatial arrangement of the coating on the membrane dictate the direction in which the membrane structure deflects.
  • the membrane structure can be coated completely or only at certain points. However, the coating must be applied so that the membrane structure bends when heated against the applied pressure p in .
  • the membrane structure is provided with one or more heating elements.
  • the second part is connected to the first on the side facing the lower pressure p out .
  • the closing body of the first part or substrate areas of the second part or both parts have one or more pits of a defined depth, all pits being arranged such that they are completely covered by areas of the other part when the valve is closed, so that closed cavities arise in which there are heating elements. Closed cavities are also to be understood here as those in which gaps of a few Im occur on the edges of the pits due to the production.
  • the heating elements thus heat, among other things, the gas or liquid volume located in the pits. It is essential to the arrangement of the pits that a closed volume of liquid or gas is generated with the valve closed, which can be quickly heated by the heating elements.
  • the depth of the pits is preferably at most 40 ⁇ m (claim 2).
  • the microvalve according to the invention works on the basis of a combined thermomechanical-thermopneumatic principle of action.
  • the valve is closed when de-energized. If the membrane is heated by the heating elements, a force builds up, the membrane against the higher pressure p in deflectable force (thermomechanical effect), which results from the thermal expansion of the membrane.
  • the coating can perform a function that supports this force with a corresponding coating density (bimetal effect) or only a function that determines the deflection direction of the membrane (cf. claim 6).
  • the volume of liquid or gas eg air
  • heats up in the pits below the membrane Since this can only drain off through narrow gaps, overpressure is created in the pits. There is also a brief thermopneumatic force on the membrane.
  • the valve can be opened against higher pressures than, for example, a purely thermomechanical force generation would allow.
  • the speed at which the valve opens increases considerably compared to the purely thermomechanical drive. Efficiency is also increased through better heat utilization.
  • the thermopneumatic effect is reduced by the upward movement of the membrane, ie only thermomechanical forces are effective in the open state. This is countered by the fact that the full pressure difference (p in >> p out ) is only present at the valve when it is opened.
  • the energy supply can be significantly reduced compared to conventional solenoid valves.
  • a plurality of heating elements can be provided to adapt the heating power and thus the thermomechanical force to the respective requirements.
  • the micromechanical valve described here is closed by switching off the heating elements. The process is significantly accelerated by the "bleeding" of the control volume (again p in>> p out), eg via a second micro valve, as the (p in -sided) applied pressure the membrane easily downwards (p out -sided) above presses.
  • micromechanical valves can be manufactured in a similar way to ICs, there is a significant price advantage compared to miniature solenoid valves.
  • the size of a microvalve, even with a housing, will not be more than a tenth of the volume of a conventional miniature valve.
  • the preferred microstructurable material is silicon, which is very suitable for the production of microvalves due to its physical properties.
  • the two parts of the microvalve can be two chips connected by silicon bonding or gluing (claim 4).
  • Elements that can be manufactured using silicon technology can also be manufactured very inexpensively in large numbers.
  • the coating material of the membrane structure is a metal.
  • Metals have a relatively large thermal coefficient of linear expansion compared to microstructurable material such as silicon.
  • the metal coating can e.g. B. applied as shown in the embodiment to cause the deflection of the membrane against the applied pressure p in .
  • the coating can be applied during production by means of sputtering, vapor deposition or electroplating.
  • a coating of silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ), which is applied on the side facing the lower pressure (p out side) of the silicon membrane, has proven to be particularly advantageous.
  • the thickness of the coating can be up to 500 nanometers.
  • the SiO 2 or Si 3 N 4 on the side of the low pressure p out causes the membrane to deflect exclusively against the adjacent one high pressure p in , since these materials have a much lower coefficient of thermal expansion than single-crystal silicon.
  • the main advantage of this coating material is the lower power requirement compared to a metal coating.
  • a metal coating acts as a heat short circuit, ie the heat dissipation to the chip via the clamping is very large. With the same heat output, a membrane structure without metal actuators therefore reaches a significantly higher temperature.
  • the temperature is the quantity that determines the strength of the thermomechanical effect. Valves with silicon dioxide or silicon nitride layers work with lower heating outputs and have better dynamics (switching times in the range of a few msec.) Than those with metal coatings.
  • the coating only has the function of influencing the direction of the deflection, while the thermal linear expansion of the silicon membrane itself applies the force against the external pressure.
  • Claim 7 specifies an embodiment of the microvalve according to the invention in which the heating elements are implanted conductor tracks or polysilicon tracks.
  • the application of these webs can be realized with methods of semiconductor technology.
  • the membrane structure is preferably bridge-shaped (i.e. a strip clamped on both sides) or cross-shaped (claim 8), so that the pressure medium can pass through as freely as possible when the valve is opened.
  • Claim 10 specifies the preferred area of application of the microvalve according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a possible embodiment for the microvalve according to the invention.
  • the microvalve consists of two silicon chips 1 and 2, which are usually connected at the wafer level by means of silicon bonding.
  • the upper (Pressure-side) chip 1 contains the movable closing body 3 - a membrane structure formed by anisotropic etching (for example a bridge or cross shape).
  • the membrane is provided with heating elements (eg implanted conductor tracks or polysilicon tracks) and selectively coated on the pit side with metal 4 (e.g. Al or Au by sputtering, vapor deposition or electroplating).
  • metal 4 e.g. Al or Au by sputtering, vapor deposition or electroplating.
  • there is a further insulating layer e.g. thermal SiO 2 between the metal coating and the heating elements.
  • the lower chip 2 contains the outlet opening 7, the anisotropically etched valve seat 5 and several pits of defined depth 6, which can be produced by both isotropic and anisotropic etching.
  • the pits have a maximum size of 400 x 600 x 40 ⁇ m 3 and are arranged so that they are covered by the membrane structure.
  • a second microvalve according to the invention can be used to vent a control volume.

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Description

    Technisches Gebiet
  • 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 elektro-mechanischer 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.
    • Stand der Technik
  • In der Pneumatik dienen als Steuerelemente hauptsächlich zylindrische Linearschieberventile für Hauptstufen und zylindrische Sitzventile für direktbetätigte Ventile bzw. Pilotventile. Als Betätigungselement hat sich der Hubmagnet durchgesetzt, da sich diese Antriebsart durch hohes Arbeitsvermögen und einfachen Aufbau auszeichnet. Ein klassisches Hubmagnetventil aus Plastikformteilen hat Ausmaße von ca. 25x25x40 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 erheblicher Kostensteigerung bei unvermeidlich sinkender Leistungskraft verkleinern läßt. Mittels Feinwerktechnik hergestellte Miniatur-Hubmagnetventile (10x10x15 mm3) sind im Vergleich zu klassischen mindestens 5 mal so teuer.
  • Aus der EP 208386 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 3919876 bekannt. Hier sind insbesondere piezoelektrisch oder thermoelektrisch arbeitende Beschichtungen der Membran, elektrostatische oder thermofluidische Betätigung zu nennen. Gerade beim Öffnen eines Ventils 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 Betätigungsmitteln nicht erfüllt werden kann.
    Piezoelektrische und elektostatische Mikroventile können zudem die in der Pneumatik geforderten Leistungsdaten nicht erbringen. Um die dort auftretenden hohen Drücke (1 - 7 bar) zu schalten, wären sehr hohe Steuerspannungen erforderlich. Da die mit diesen Ventilen erreichbaren Hübe gering sind, müßten die Ventilöffnungen groß sein, um den geforderten Durchfluß (1 - 30 l/min) zu erzielen. Es würden Probleme mit Verschmutzungen (Öl, Wasser) durch das Arbeitsmedium (ölverschmutzte, feuchte Druckluft) auftreten. Desweiteren könnte es zu Vereisungen 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).
  • Aus der EP 0 512 521 ist ein Mikroventil aus mikrostrukturierbarem Material bekannt, das aus einem ersten druckseitigen Teil, das eine Membranstruktur als beweglichen Schließkörper aufweist, und einem zweiten mit dem ersten verbundenen Teil mit mindestens einer Auslaßöffnung und mindestens einem Ventilsitz besteht, wobei zumindest eines der beiden Teile eine oder mehrere Gruben definierter Tiefe aufweist. Die Membranstruktur ist auf einer Seite mit einem Material, das einen anderen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten besitzt als das Membranmaterial zumindest teilweise so beschichtet, daß bei Erwärmung ein Durchbiegen der Membranstruktur gegen den anliegenden Druck resultiert. Die Membranstruktur ist zu diesem Zweck mit einem oder mehreren Heizelementen versehen. Das Wirkungsprinzip dieses Mikroventils beruht auf dem thermomechanischen Effekt, der sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von Membranmaterial und Beschichtung ergibt.
    Diese Wirkungsweise hat jedoch den Nachteil, daß damit die für pneumatische Steuerungen erforderlichen hohen Anfangskräfte beim Öffnen des Ventils nur ungenügend erbracht werden können.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroventil der in Rede stehenden Art anzugeben, das für industrielle Pneumatiksteuerungen geeignet ist, kostengünstig mit Mitteln der Halbleitertechnologie herstellbar ist und verbesserte Schalteigenschaften aufweist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem in Anspruch 1 angegebenen Mikroventil gelöst. Dieses besteht aus zwei Teilen.
    Das erste Teil, das sich auf der Seite des höheren Druckes pin (druckseitig) befindet, weist eine Membranstruktur auf, die auf einer Seite mit einem Material beschichtet ist, das einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten besitzt, der sich von dem des Membranmaterials unterscheidet. Der Unterschied der Längenausdehnungskoeffizienten von Membranmaterial und Beschichtungsmaterial sowie die räumliche Anordnung der Beschichtung auf der Membran geben die Richtung des Durchbiegens der Membranstruktur vor. Die Membranstruktur kann vollständig oder auch nur an bestimmten Stellen beschichtet sein. Die Beschichtung muß jedoch so angebracht sein, daß sich die Membranstruktur bei Erwärmung gegen den anliegenden Druck pin durchbiegt. Desweiteren ist die Membranstruktur mit einem oder mehreren Heizelementen versehen.
    Das zweite Teil ist mit dem ersten auf der dem niedrigeren Druck pout zugewandten Seite verbunden. Es enthält einen oder mehrere Auslaßöffnungen und dazugehörige Ventilsitze.
    Weiterhin weisen entweder der Schließkörper des ersten Teils oder Substratbereiche 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 Im 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 abgeschlossenes Flüssigkeits- oder Gasvolumen erzeugt wird, das durch die Heizelemente schnell erwärmt werden kann. Die Tiefe der Gruben beträgt vorzugsweise maximal 40 µm (Anspruch 2).
  • Das erfindungsgemäße Mikroventil arbeitet auf der Grundlage eines kombinierten thermomechanischen-thermopneumatischen Wirkungsprinzips. Im stromlosen Zustand ist das Ventil geschlossen. Wird die Membran durch die Heizelemente erwärmt, baut sich eine, die Membran gegen den höheren Druck pin auslenkbare Kraft auf (thermomechanischer Effekt), die aus der thermischen Ausdehnung der Membran resultiert. Die Beschichtung kann dabei eine diese Kraft unterstützende Funktion bei entsprechender Beschichtungsdichte (Bimetall-Effekt) oder auch nur eine die Auslenkungsrichtung der Membran bestimmende Funktion (vgl. Anspruch 6) 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 (pin > > pout) 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 (pin = pout). 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 Vorgang durch das "Entlüften" des Steuervolumens (wieder pin > > pout), z.B. über ein zweites Mikroventil, da der oben (pin-seitig) anliegende Druck die Membran einfach nach unten (pout-seitig) drückt.
  • Da die mikromechanischen Ventile ähnlich wie lC's gefertigt werden können, entsteht gegenüber Miniatur-Hubmagnetventilen ein deutlicher Preisvorteil. Dabei 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 3 Silizium angegeben, das sich aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften sehr gut zur Herstellung von Mikroventilen eignet. So können z.B. die beiden Teile des Mikroventils zwei durch Silicon Bonding oder Kleben verbundene Chips sein (Anspruch 4).
    In Siliziumtechnologie herstellbare Elemente können zudem sehr kostengünstig in großer Stückzahl gefertigt werden.
  • In besonderer Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 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 pin zu bewirken. Die Aufbringung der Beschichtung kann bei der Herstellung mittels Sputtern, Aufdampfen oder Galvanik erfolgen.
  • Als besonders vorteilhaft erweist sich nach Anspruch 6 eine Beschichtung aus Silizium-Dioxid (SiO2) oder Silizium-Nitrid (Si3N4), die auf der dem niedrigeren Druck zugewandten Seite (pout-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 pout bewirkt die Auslenkung der Membran ausschließlich gegen den anliegenden hohen Druck pin, 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 Metallbeschichtung 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 7 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 Halbleitertechnologie realisieren.
  • Die Membranstruktur ist vorzugsweise brückenförmig (d. h. ein beidseitig eingespannter Streifen) oder kreuzförmig ausgebildet (Anspruch 8), so daß beim Öffnen des Ventils das Druckmedium möglichst ungehindert passieren kann.
  • Durch eine Regelung der Energiezufuhr und damit der Heizleistung gemäß Anspruch 9 läßt sich der Gesamtleistungsverbrauch einer pneumatischen Steuerung aus Mikroventilen im Vergleich zu herkömmlichen Ventilen deutlich verringern. Eine hohe Heizleistung ist, wie bereits weiter oben dargelegt, nur im ersten Moment des Öffnens erforderlich.
  • Anspruch 10 gibt den bevorzugten Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Mikroventils an.
    • Ausführungsbeispiel:
  • Ein Ausführungsbeispiel für das in den Ansprüchen angegebene Mikroventil wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert.
    Dabei zeigt Figur 1 in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform für das erfindungsgemäße Mikroventil.
  • Das Mikroventil besteht aus zwei Silizium-Chips 1 und 2, die üblicherweise mittels Silicon Bonding auf Waferebene verbunden werden. Der obere
    (druckseitige) Chip 1 enthält den beweglichen Schließkörper 3 - eine durch anisotropes Ätzen herausgebildete Membranstruktur (z.B. brücken- oder kreuzförmig). Die Membran ist mit Heizelementen versehen (z.B. implantierte Leiterbahnen oder Polysiliziumbahnen) und grubenseitig selektiv mit Metall beschichtet 4 (z.B. Al oder Au durch Sputtern, Aufdampfen oder Galvanik). Aus lsolationsgründen befindet sich zwischen der Metallbeschichtung und den Heizelementen eine weitere, isolierende Schicht (z. B. thermisches SiO2). 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 x 600 x 40 µm3 und sind so angeordnet, daß sie von der Membranstruktur überdeckt werden.
  • Zum Entlüften eines Steuervolumens kann ein zweites erfindungsgemäßes Mikroventil eingesetzt werden.

Claims (10)

  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 zumindest eines der beiden Teile eine oder mehrere Gruben definierter Tiefe (6) aufweist,
    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 Erwärmung ein Durchbiegen der Membranstruktur gegen den anliegenden Druck resultiert,
    und die Membranstruktur mit einem oder mehreren Heizelementen versehen ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gruben so angeordnet sind, daß sie bei geschlossenem Ventil von Bereichen des anderen Teils vollständig überdeckt werden, so daß geschlossene Hohlräume entstehen, in denen sich Heizelemente befinden.
  2. Mikroventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gruben eine maximale Tiefe von 40 µm aufweisen.
  3. Mikroventil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das mikrostrukturierbare Material Silizium ist.
  4. Mikroventil nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die beiden Teile des Mikroventils zwei mittels Silicon Bonding oder Kleben verbundene Chips sind.
  5. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Beschichtungsmaterial der Membranstruktur ein Metall ist.
  6. Mikroventil nach Anspruch 3 oder 4,
    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.
  7. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Heizelemente implantierte Leiterbahnen oder Polysiliziumbahnen sind.
  8. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Membranstruktur brücken- oder kreuzförmig ausgebildet ist.
  9. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die zu seiner Betätigung erforderliche Heizleistung regelbar ist.
  10. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß es als Pilotventil in pneumatischen Steuerungen eingesetzt wird.
EP94916136A 1993-05-27 1994-05-21 Mikroventil Expired - Lifetime EP0700485B1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4317676 1993-05-27
DE4317676 1993-05-27
PCT/DE1994/000599 WO1994028318A1 (de) 1993-05-27 1994-05-21 Mikroventil

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Publication Number Publication Date
EP0700485A1 EP0700485A1 (de) 1996-03-13
EP0700485B1 true EP0700485B1 (de) 1997-08-13

Family

ID=6489068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP94916136A Expired - Lifetime EP0700485B1 (de) 1993-05-27 1994-05-21 Mikroventil

Country Status (6)

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US (1) US5681024A (de)
EP (1) EP0700485B1 (de)
JP (1) JP3418741B2 (de)
AT (1) ATE156895T1 (de)
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WO (1) WO1994028318A1 (de)

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