EP0829649A2 - Mikroventil mit vorgespannter Ventilklappenstruktur - Google Patents

Mikroventil mit vorgespannter Ventilklappenstruktur Download PDF

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EP0829649A2
EP0829649A2 EP97113980A EP97113980A EP0829649A2 EP 0829649 A2 EP0829649 A2 EP 0829649A2 EP 97113980 A EP97113980 A EP 97113980A EP 97113980 A EP97113980 A EP 97113980A EP 0829649 A2 EP0829649 A2 EP 0829649A2
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EP
European Patent Office
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support structure
valve flap
valve
microvalve
passage opening
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EP97113980A
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EP0829649B1 (de
EP0829649A3 (de
Inventor
Martin Dipl.-Phys. Richter
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP0829649A2 publication Critical patent/EP0829649A2/de
Publication of EP0829649A3 publication Critical patent/EP0829649A3/de
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    • 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
    • F15C3/08—Circuit elements having moving parts using reeds
    • 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
    • F15C5/00—Manufacture of fluid circuit elements; Manufacture of assemblages of such elements integrated circuits

Definitions

  • the present invention relates to valves, and more particularly to electrostatically driven silicon microvalves.
  • a known microvalve is described in US-A-4,585,209. 4 schematically shows a section of this microvalve 40 in a cross-sectional illustration.
  • the microvalve 40 has a valve plate 41 with a valve opening 42 through which the fluid flows.
  • a valve member 43 fastened on one side is arranged above the valve opening 42 in the valve plate 41.
  • the valve member 43 is connected at its attached portion to a support or frame structure 44. Between the frame, the valve member 43 fixed on one side and the valve plate 41, an electrically insulating layer 45 is provided, which electrically separates the valve member 43 from the valve plate 41 in order to prevent a flow of charge between the valve member 43 and the valve plate 41.
  • valve member 43 By means of external actuation forces, the valve member 43 can be moved with respect to the valve plate 41 in such a way that the valve opening 42 can be closed or opened by the valve member 43.
  • the inlet (refer to FIG. 4 under valve plate 41) of microvalve 40 is connected to a pressurized source (not shown) for fluid flow ⁇ .
  • the pressure exerted on the one-sided valve member 43 causes the valve member 43 to bend upward, as indicated by the dashed valve member 43 in FIG. 4.
  • the arrow in Fig. 4 represents the direction of fluid flow ⁇ through the microvalve
  • the dashed representation of the valve member 43 in FIG. 4 shows the fully open position of the microvalve 40.
  • the microvalve 40 is actuated by a voltage source 46 applying an electrical potential difference between the valve plate 41 and the valve member 43 via lines 47.
  • a voltage source 46 applying an electrical potential difference between the valve plate 41 and the valve member 43 via lines 47.
  • US-A-5,176,358 relates to a microstructured gas valve with a multi-port valve structure.
  • a closure plate is assigned to each of the openings.
  • the valve structure includes a substrate in which the opening is formed. Furthermore, a dielectric layer is arranged on the substrate, from which the closure plate and a valve seat are formed.
  • the valve seat through which the opening extends is formed by the lower part of the layer. Spaced from the valve seat by an intermediate space, which is produced by the production using a sacrificial layer made of aluminum, is the closure flap, which consists of the dielectric material of the layer. Electrodes are provided in the interior of the valve seat structure, which lead to a connection. Internally A further electrode is provided on the valve plate and is led out to a connection 104.
  • the valve By moving the plate so that it is in contact with the dielectric layer that defines the valve seat structure, the valve is closed. This is achieved by applying a voltage to the two connections. When the same potentials are applied to the connections, the plate returns to its open position due to an internal elastic resetting force.
  • the article "A NEW BISTABLE MICROVALVE USING AN SIO 2 BEAM AS THE MOVEABLE PART" by JH Babaei and others relates to a bistable microvalve which comprises an SiO 2 component as a moving part.
  • the structure includes a valve plate, a lower electrode, a spacer, and a silicon wafer as a mechanical base.
  • the valve plate is made of chrome, which is coated with a silicon dioxide layer which is under longitudinal tension, so that it can be bent electrostatically upwards or downwards to open or close the valve.
  • a voltage of 68 volts is required to close the valve, whereas a voltage of 120 volts is required to open this valve.
  • DE 29603364 U1 relates to a microvalve in which both the valve flap and the valve seat are made from a bendable material.
  • WO 92/22763 A1 relates to a miniature actuating element in which a membrane is moved by an electric field between the membrane and a carrier.
  • EP 0469749 A1 relates to a control valve which is controlled by the mechanical bending of an element.
  • the present invention has for its object to provide a microvalve and a method for its production, the microvalve without an applied operating voltage and without the action of pneumatic forces, an open passage opening has and only a small actuation voltage is required for actuation.
  • the present invention provides a microvalve with a support structure, a passage opening which extends through the support structure, a mechanically prestressed, at least one-sidedly attached valve flap which, in its unactuated state, is bent away from the support structure and opens the passage opening and in its actuated state on the Support structure rests and closes the passage opening, and an electrically insulating coating, which is arranged on the side of the valve flap facing the support structure and mechanically prestresses the valve flap, the coating lying in the region of the fastening of the valve cap on the support structure to electrically separate the valve flap from the Isolate support structure.
  • the present invention provides a method for producing a microvalve, comprising the following steps: forming a passage opening in a support structure, forming a mechanically prestressed, at least one-sidedly attached valve flap in a valve seat, which in its unactuated state is bent away from the support structure and opens the passage opening and in its actuated state rests on the support structure and closes the passage opening, arranging an electrically insulating coating which places the valve flap under a pretension on the side of the valve flap facing the support structure, and assembling the support structure provided with the passage opening and the valve seat, such that that the valve flap can close the passage opening and the coating is arranged between the valve seat and the support structure and in the region of the fastening of the valve flap rests on the support structure.
  • FIG. 1 a schematically shows the structure of a microvalve 10 with an opened valve flap 11 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • a mechanically prestressed valve flap 11 is arranged above a support structure 12.
  • the support structure 12 has a passage opening 13 through which a fluid flow ⁇ , the direction of which is shown schematically by the arrow drawn in FIG. 1a, can flow.
  • a valve seat 15, which is electrically and mechanically connected to the valve flap 11, and the support structure 12 are connected to a voltage source 14 via supply lines 16.
  • the valve seat 15 is preferably made of silicon, which can also be made of other suitable materials.
  • the voltage source 14 can be used to apply a potential difference between the valve seat 15 or the valve flap 11 and the support structure 12, as a result of which the valve flap 11 can be closed.
  • the thickness of the silicon of the prestressed valve flap 11 is, for example, in the order of 5 ⁇ m to 50 ⁇ m, the lateral dimensions of which can be, for example, in the order of 500
  • the valve flap 11 is mechanically prestressed by means of a suitable coating 17, the coating 17 being used both as a mask for a previous etching step (for example when KOH etching the valve flap 11) and as electrical insulation between the valve seat 15 or the valve flap 11 and the support structure 12 can serve.
  • the support structure 12 can also be covered with an insulating layer (not shown in the figures). This additional insulating layer additionally improves the electrical breakdown strength when an actuating voltage is applied.
  • the thickness of the coating 17 that generates the mechanical prestress is, for example, in the order of magnitude of 0.2 ⁇ m to 1.5 ⁇ m.
  • the coating 17 can consist of Si 3 N 4 , SiC, Si oxide or combinations thereof.
  • This mechanical prestress (for example the highest possible compressive stress of approximately -1500 MPa for Si 3 N 4 ) causes the valve flap 11, which is clamped on one side, to bend away from the passage opening 13 after attachment to the support structure 12.
  • the microvalve 10 is operated to control the fluid flow ⁇ .
  • the fluid can flow around the valve flap 11 bent open by the mechanical prestress Flow passage 13 flow.
  • the tendency towards opening forces acting on the valve flap 11 due to the mechanical preload are designed such that these forces keep the microvalve 10 in an open state as long as the pressure of the fluid flow gebericht shown in FIG the mechanical preload does not exceed the set nominal pressure.
  • the microvalve 10 according to a preferred exemplary embodiment of the present invention is thus self-closing at fluid pressures above the nominal pressure.
  • An electrical actuation voltage (U OV), which is necessary for actuating the valve flap 11 in the closing direction, can be kept small by means of an electrostatic traveling wedge 18, ie by the configuration of electrostatic forces between the valve flap 11 and the support structure 12. Since the valve flap 11 and the support structure 12 in the connection region thereof are essentially separated from one another only by the thickness of the coating 17, high electric field strengths occur between the valve flap 11 and the support structure 12 in this region even with small actuation voltages. When the valve flap 11 closes, the region of the high field strengths moves with the region in which the valve flap 11 is already arranged essentially parallel to the support structure 12. This can result in very low actuation voltages (U ⁇ 50 V) can be realized since the electrostatic moving wedge 18 supplies the essential portion of the closing forces.
  • FIG. 1b The operating state with the valve flap 11 closed is shown in FIG. 1b in the form of a basic cross-sectional view.
  • a second exemplary embodiment of a microvalve 10 with a prestressed valve flap structure is shown in an enlarged, basic cross-sectional view in FIG. 2.
  • small spacing bumps 21 are fitted either on the prestressed valve flap 11 or on the support structure 12 or on both.
  • the height of these spacer bumps 21 can be of the order of 0.1 ⁇ m to 1 ⁇ m, the cross-sectional dimensions of the spacer bumps 21 being of the order of 10 ⁇ 10 ⁇ m 2 to 100 ⁇ 100 ⁇ m 2 .
  • the distances between adjacent bumps 21 are in the order of 500 microns to 2000 microns.
  • the function of the spacer bumps 21 is to minimize the direct contact area between the prestressed valve flap 11 and the support structure 12 in the case of a closed microvalve 10, that is to say when an electrical actuation voltage is applied or the nominal pressure is exceeded, in order to minimize sticking effects caused by the penetration of Minimize charges in the insulation at large field strengths.
  • the spacer bumps 21 are either applied by a deposition process (eg sputtering) or etched out of the silicon material of the valve seat 15 or the valve flap 11. In contrast to the embodiment just described, the spacer bumps can also lie below the base layer.
  • 3a to 3c three further embodiments of mechanically prestressed valve flaps 11 are shown in perspective.
  • 3a shows a valve flap 11a that is mechanically prestressed on two sides at adjacent edges.
  • 3b shows a mechanically prestressed valve flap 11b, which is clamped on two sides on opposite edges.
  • 3c shows a mechanically prestressed valve flap 11c, which is clamped on three sides.
  • valve flaps 11a-c realizes a structure in which an electrostatic moving wedge 18 can act.
  • the clamping of the valve flaps 11a-c can be interrupted one or more times at the edges in order to make the valve flap structure more flexible.
  • the advantage of a valve flap 11 clamped on two or three edges is that such valve flaps 11 are more robust than pressure surges.
  • valve flaps 11 of any shape can be produced, each of which does not have the valve seat 15 in some places are connected and can bend there due to the mechanical preload.
  • the valve flaps 11a-c can because of the wedge structure, i.e. due to their not parallel arrangement to the support structure 12, close the passage opening 13 with relatively small actuation voltages.
  • An advantage of the present invention over conventional valve variants is that the opening forces of the valve flap 11 and thus the normally open ("normally open") position is set by the mechanical prestressing of a coating 17, with the known open position in other known valves the valve flap structure is suspended must become.
  • the suspension of the valve flap structure limits further miniaturization in known microvalves.
  • microvalves according to the present invention can be manufactured with very small dimensions (eg 3 mm x 3 mm), whereby the manufacturing costs are kept low.
  • the opening forces in the valve flap 11 of the present invention are primarily determined by the mechanical prestress in the masking layer, as a result of which the opening forces are independent of the geometry of the valve flap structure.
  • a common problem is the leakage rates of the microvalve 10, e.g. because of the tilting of the valve flap structure relative to the support structure 12.
  • tilting is much less likely since two plane-polished structures are fastened to one another, whereby very good sealing properties are achieved.
  • the flow through the microvalve 10 can be calculated from a model based on the mechanical preload of the preloaded valve flap 11.
  • Important optimization parameters for the microvalve 10 according to the invention are: mechanical prestressing of the coating 17, thickness, length, width of the valve flap 11, position and shape of the passage opening area, position and shape of the fluid flow ⁇ , thickness of the coating 17.
  • Important operating parameters are: inlet and outlet pressure and actuation voltage.
  • Important fabric sizes for the model are: adiabatic coefficient, density and viscosity of the fluid to be controlled.
  • the electrostatic closing forces can initially be estimated using simple models, with models for electrostatic pump operation being modified accordingly.

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Abstract

Bei einem Mikroventil (10) mit einer Auflagestruktur (12), einer Durchlaßöffnung (13), durch die Auflagestruktur (12), und einer mechanisch vorgespannten, zumindest einseitig befestigten Ventilklappe (11), die in ihrem unbetätigten Zustand von der Auflagestruktur (12) weggebogen ist und die Durchlaßöffnung (13) öffnet und in ihrem betätigten Zustand an der Auflagestruktur (12) anliegt und die Durchlaßöffnung (13) verschließt, ist eine elektrisch isolierende Beschichtung (17) vorgesehen, die auf der der Auflagestruktur (12) zugewandten Seite der Ventilklappe (11) angeordnet ist und die Ventilklappe (11) mechanisch vorspannt. Die Beschichtung (17) liegt im Bereich der Befestigung der Ventilkappe (11) auf der Auflagestruktur auf, um die Ventilklappe (11) elektrisch von der Auflagestruktur (12) zu isolieren. <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ventile und insbesondere auf elektrostatisch angetriebene silizium-Mikroventile.
  • Ein bekanntes Mikroventil ist in der US-A-4,585,209 beschrieben. Fig. 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt dieses Mikroventils 40 in Querschnittsdarstellung. Das Mikroventil 40 weist eine Ventilplatte 41 mit einer Ventilöffnung 42 auf, durch welche das Fluid fließt. Über der Ventilöffnung 42 in der Ventilplatte 41 ist ein einseitig befestigtes Ventilbauglied 43 angeordnet. Das ventilbauglied 43 ist an seinem befestigten Abschnitt mit einer Trage- oder Rahmenstruktur 44 verbunden. Zwischen dem Rahmen, dem einseitig befestigten ventilbauglied 43 und der Ventilplatte 41 ist eine elektrisch isolierende Schicht 45 vorgesehen, die das Ventilbauglied 43 von der ventilplatte 41 elektrisch trennt, um einen Ladungsfluß zwischen dem Ventilbauglied 43 und der Ventilplatte 41 zu verhindern.
  • Mittels äußerer Betätigungskräfte kann das Ventilbauglied 43 bezüglich der ventilplatte 41 bewegt werden, derart, daß die Ventilöffnung 42 durch das Ventilbauglied 43 geschlossen bzw. geöffnet werden kann.
  • Im Betrieb ist der Einlaß (bzgl. Fig. 4 unter der Ventilplatte 41) des Mikroventils 40 mit einer unter Druck stehenden Quelle (nicht gezeigt) für einen Fluidfluß Φ verbunden. Der Druck, der auf das einseitig befestigte Ventilbauglied 43 ausgeübt wird, bewirkt, daß sich das Ventilbauglied 43 nach oben biegt, wie es durch das gestrichelt dargestellte Ventilbauglied 43 in Fig. 4 angezeigt ist. Der Pfeil in Fig. 4 stellt die Richtung des Fluidflusses Φ durch das Mikroventil 40 dar. Die gestrichelte Darstellung des Ventilbauglieds 43 in Fig. 4 zeigt die vollständig geöffnete Position des Mikroventils 40.
  • Das Mikroventil 40 wird betätigt, indem eine Spannungsquelle 46 über Leitungen 47 eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Ventilplatte 41 und dem Ventilbauglied 43 anlegt. Dadurch fließen Ladungen auf die sich gegenüberliegenden Seiten der beiden Bauteile 41,43, wodurch die Bauteile unterschiedlich gepolt werden. Diese Ladungen ziehen sich gegenseitig an, wodurch das nicht befestigte Ende des Ventilbauglieds 43 zu der Ventilplatte 41 bewegt wird. Das Mikroventil 40 mit geschlossenem Ventilbauglied 43 ist in Fig. 4 mit durchgezogenen Linien dargestellt.
  • Da ein derartiges Mikroventil 40 durch den Druck des durchfließenden Fluidflusses Φ tendenziell geöffnet wird, bzw. der Fluß Φ des Fluids durch Schließen des Ventilbauglieds 43 unterbrochen wird, indem eine Potentialdifferenz zwischen dem Ventilbauglied 43 und der Ventilplatte 41 angelegt wird, besteht ein Nachteil des bekannten Mikroventils 40 darin, daß ein derartiges Mikroventil 40 nur in einer Fluidflußrichtung betreibbar ist.
  • Die US-A-5,176,358 betrifft ein mikrostrukturiertes Gasventil mit einer Ventilstruktur mit mehreren Öffnungen. Jeder der Öffnungen ist eine Verschlußplatte zugeordnet. Die Ventilstruktur umfaßt ein Substrat, in dem die Öffnung gebildet ist. Ferner ist auf dem Substrat eine dielektrische Schicht angeordnet, aus der die Verschlußplatte und ein Ventilsitz gebildet ist. Durch den unteren Teil der Schicht ist der Ventilsitz gebildet, durch den sich die Öffnung erstreckt. Beabstandet von dem Ventilsitz durch einen Zwischenraum, welcher sich durch die Herstellung unter Verwendung einer Opferschicht aus Aluminium einstellt, befindet sich die Verschlußklappe, welche aus dem dielektrischen Material der Schicht besteh. Im Inneren der Ventilsitzstruktur sind Elektroden vorgesehen, welche zu einem Anschluß führen. Im Inneren der Ventilplatte ist eine weitere Elektrode vorgesehen, welche zu einem Anschluß 104 herausgeführt ist. Durch Bewegen der Platte derart, daß sie in Kontakt mit der dielektrischen Schicht ist, die die Ventilsitzstruktur definiert, wird das Ventil geschlossen. Dies wird dadurch erreicht, daß an die beiden Anschlüsse eine Spannung angelegt wird. Beim Anlegen gleicher Potentiale an den Anschlüssen kehrt die Platte aufgrund einer internen elastischen Rücksetzkraft in ihre offene Position zurück.
  • Der Artikel "A NEW BISTABLE MICROVALVE USING AN SIO2 BEAM AS THE MOVEABLE PART" von J.H. Babaei u.a. betrifft ein bistabiles Mikroventil, welches ein SiO2-Bauelement als bewegliches Teil umfaßt. Die Struktur umfaßt eine Ventilplatte, eine untere Elektrode, eine Beabstandung und einen Siliziumwafer als mechanische Basis. Die Ventilplatte besteht aus Chrom, welches mit einer Siliziumdioxidschicht beschichtet ist, die longitudinal unter Spannung steht, so daß diese elektrostatisch nach oben bzw. nach unten verbogen werden kann, um das Ventil zu öffnen bzw. zu schließen. Zur Betätigung des Ventils bedarf es einer Spannung von 68 Volt, um das Ventil zu schließen, wohingegen es einer Spannung von 120 Volt bedarf, um dieses Ventil zu öffnen.
  • Die DE 29603364 U1 betrifft ein Mikroventil, bei dem sowohl die ventilklappe als auch der Ventilsitz aus einem verbiegbaren Material hergestellt sind. Die WO 92/22763 A1 betrifft ein Miniaturbetätigungselement, bei welchem eine Membran durch ein elektrisches Feld zwischen der Membran und einem Träger bewegt wird. Die EP 0469749 A1 betrifft ein Steuerungsventil, das durch die mechanische Verbiegung eines Elements gesteuert wird.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik der liegt vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikroventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, wobei das Mikroventil ohne angelegte Betätigungsspannung und ohne das Einwirken von pneumatischen Kräften eine geöffnete Durchlaßöffnung aufweist und zur Betätigung nur eine geringe Betätigungsspannung erforderlich ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Mikroventil gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 7 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Mikroventil mit einer Auflagestruktur, einer Durchlaßöffnung, die sich durch die Auflagestruktur erstreckt, einer mechanisch vorgespannten, zumindest einseitig befestigten Ventilklappe, die in ihrem unbetätigten Zustand von der Auflagestruktur weggebogen ist und die Durchlaßöffnung öffnet und in ihrem betätigten Zustand an der Auflagestruktur anliegt und die Durchlaßöffnung verschließt, und einer elektrisch isolierenden Beschichtung, die auf der der Auflagestruktur zugewandten Seite der Ventilklappe angeordnet ist und die Ventilklappe mechanisch vorspannt, wobei die Beschichtung im Bereich der Befestigung der Ventilkappe auf der Auflagestruktur aufliegt, um die Ventilklappe elektrisch von der Auflagestruktur zu isolieren.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils, mit folgenden Schritten: Bilden einer Durchlaßöffnung in einer Auflagestruktur, Bilden einer mechanisch vorgespannten, zumindest einseitig befestigten Ventilklappe in einem Ventilsitz, die in ihrem unbetätigten Zustand von der Auflagestruktur weggebogen ist und die Durchlaßöffnung öffnet und in ihrem betätigten Zustand an der Auflagestruktur anliegt und die Durchlaßöffnung verschließt, Anordnen einer elektrisch isolierenden Beschichtung, die die Ventilklappe unter eine Vorspannung setzt, auf der der Auflagestruktur zugewandten Seite der Ventilklappe, und Zusammenfügen der mit der Durchlaßöffnung versehenen Auflagestruktur und des Ventilsitzes, derart, daß die Ventilklappe die Durchlaßöffnung verschließen kann und die Beschichtung zwischen dem Ventilsitz und der Auflagestruktur angeordnet ist und im Bereich der Befestigung der Ventilklappe auf der Auflagestruktur aufliegt.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1a
    eine prinzipielle Querschnittsansicht eines Mikroventils mit geöffneter Ventilklappe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    Fig. 1b
    eine prinzipielle Querschnittsansicht eines Mikroventils mit geschlossener Ventilklappe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
    Fig. 2
    eine prinzipielle vergrößerte Querschnittsansicht eines Mikroventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    Fig. 3a
    eine perspektivische Ansicht einer an zwei benachbarten Kanten zweiseitig eingespannten Ventilklappe.
    Fig. 3b
    eine perspektivische Ansicht einer an zwei gegenüberliegenden Kanten zweiseitig eingespannten Ventilklappe.
    Fig. 3c
    eine perspektivische Ansicht einer dreiseitig eingespannten Ventilklappe.
    Fig. 4
    eine prinzipielle Querschnittsansicht eines Mikroventils gemäß dem Stand der Technik.
  • Fig. 1a stellt schematisch den Aufbau eines Mikroventils 10 mit einer geöffneten Ventilklappe 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Eine einseitig eingespannte, mechanisch vorgespannte Ventilklappe 11 ist über einer Auflagestruktur 12 angeordnet. Die Auflagestruktur 12 weist eine Durchlaßöffnung 13 auf, durch welche ein Fluidfluß Φ, dessen Richtung durch den in Fig. 1a gezeichneten Pfeil schematisch dargestellt ist, fließen kann. Über Zuleitungen 16 sind ein Ventilsitz 15, der mit der Ventilklappe 11 elektrisch und mechanisch verbunden ist, und die Auflagestruktur 12 mit einer Spannungsquelle 14 verbunden. Der Ventilsitz 15 besteht vorzugsweise aus Silizium, wobei derselbe auch aus anderen geeigneten Materialien hergestellt sein kann. Durch die Spannungsquelle 14 kann eine Potentialdifferenz zwischen dem Ventilsitz 15 bzw. der Ventilklappe 11 und der Auflagestruktur 12 angelegt werden, wodurch die Ventilklappe 11 geschlossen werden kann. Die Dicke des Siliziums der vorgespannten Ventilklappe 11 liegt z.B. in der Größenordnung von 5 µm bis 50 µm, wobei die lateralen Abmessungen derselben beispielsweise in der Größenordnung von 500 µm bis 5 mm liegen können.
  • Die Ventilklappe 11 wird mittels einer geeigneten Beschichtung 17 auf Druck mechanisch vorgespannt, wobei die Beschichtung 17 sowohl als Maskierung für einen vorangegangenen Ätzschritt (z.B. beim KOH-Ätzen der Ventilklappe 11) als auch als elektrische Isolierung zwischen dem Ventilsitz 15 bzw. der Ventilklappe 11 und der Auflagestruktur 12 dienen kann. Ferner kann zusätzlich zu der mechanisch vorgespannten Ventilklappe 11 auch die Auflagestruktur 12 mit einer isolierenden Schicht (in den Fig. nicht gezeigt) bedeckt sein. Diese zusätzliche isolierende Schicht verbessert zusätzlich die elektrische Durchbruchfestigkeit beim Anlegen einer Betätigungsspannung.
  • Die Dicke der Beschichtung 17, die die mechanische Vorspannung erzeugt, liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,2 µm bis 1,5 µm. Die Beschichtung 17 kann aus Si3N4, SiC, Si-Oxid oder Kombinationen derselben bestehen. Durch diese mechanische Vorspannung (z.B. eine möglichst hohe Druckspannung von etwa -1500 MPa bei Si3N4) biegt sich die einseitig eingespannte Ventilklappe 11 nach einer Befestigung an der Auflagestruktur 12 von der Durchlaßöffnung 13 weg.
  • Das Mikroventil 10 wird betrieben, um den Fluidfluß Φ zu steuern. Durch die Durchlaßöffnung 13 in der Auflagestruktur 12 kann, wenn ein Überdruck von oben (Fig. 1a) und eine elektrische Betätigungsspannung von U = 0 V an dem Mikroventil 10 anliegen, das Fluid um die durch die mechanische Vorspannung aufgebogene Ventilklappe 11 herum, durch die Durchlaßöffnung 13 fließen. Die durch die mechanische Vorspannung auf die Ventilklappe 11 wirkenden, tendenziell öffnenden Kräfte sind bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, daß diese Kräfte das Mikroventil 10 in einem geöffneten Zustand halten, solange der Druck des in Fig. 1a gezeichneten Fluidflusses Φ einen durch die mechanische Vorspannung eingestellten Nenndruck nicht überschreitet.
  • Liegen dagegen Drücke an, die größer als der Nenndruck sind, wird die Ventilklappe 11 geschlossen, auch wenn keine elektrische Betätigungsspannung (U = 0 V) anliegt. Das Mikroventil 10 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist somit bei Fluiddrücken über dem Nenndruck selbstschließend.
  • Eine elektrische Betätigungsspannung (U = O V), die zum Betätigen der Ventilklappe 11 in Schließrichtung notwendig ist, kann durch einen elektrostatischen Wanderkeil 18, d.h. durch die Konfiguration von elektrostatischen Kräften zwischen der Ventilklappe 11 und der Auflagestruktur 12, klein gehalten werden. Da die Ventilklappe 11 und die Auflagestruktur 12 in der Verbindungsregion derselben im wesentlichen nur durch die Dicke der Beschichtung 17 voneinander getrennt sind, treten zwischen der Ventilklappe 11 und der Auflagestruktur 12 in dieser Region auch bei kleinen Betätigungsspannungen hohe elektrische Feldstärken auf. Der Bereich der hohen Feldstärken wandert beim Schließen der Ventilklappe 11 mit der Region mit, in der die Ventilklappe 11 bereits im wesentlichen parallel zu der Auflagestruktur 12 angeordnet ist. Dadurch können sehr niedrige Betätigungsspannungen (U < 50 V) realisiert werden, da der elektrostatische Wanderkeil 18 den wesentlichen Anteil der Schließkräfte liefert. Bei herkömmlichen, aktiven, normalerweise offenen Mikroventilen mit elektrostatischen Schaltkräften existiert zwischen der Ventilklappe und der Auflagestruktur eine konstante Beabstandung von einigen Mikrometern, so daß eine relativ hohe Betätigungsspannung von ca. 180 Volt zum Schalten nötig ist, da hier kein elektrostatischer Wanderkeil vorhanden ist. Der Betriebszustand mit geschlossener Ventilklappe 11 ist in Fig. 1b in Form einer prinzipiellen Querschnittsansicht dargestellt.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Mikroventils 10 mit vorgespannter Ventilklappenstruktur ist in einer vergrößerten, prinzipiellen Querschnittsansicht in Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind kleine Abstandshöcker 21 entweder auf der vorgespannten Ventilklappe 11 oder auf der Auflagestruktur 12 oder auf beiden angebracht. Die Höhe dieser Abstandshöcker 21 kann in der Größenordnung von 0,1 µm bis 1 µm liegen, wobei die Querschnittsabmessungen der Abstandshöcker 21 in der Größenordnung von 10 x 10 µm2 bis 100 x 100 µm2 liegen können. Die Abstände zwischen benachbarten Abstandshöckern 21 liegen in der Größenordnung von 500 µm bis 2000 µm.
  • Die Funktion der Abstandshöcker 21 besteht darin, bei einem geschlossenen Mikroventil 10, d.h. wenn eine elektrische Betätigungsspannung angelegt ist oder der Nenndruck überschritten ist, die direkte Kontaktfläche zwischen der vorgespannten ventilklappe 11 und der Auflagestruktur 12 zu minimieren, um Anhafteffekte, die aufgrund des Eindringens von Ladungen in die Isolation bei großen Feldstärken auftreten können, zu minimieren. Die Abstandshöcker 21 werden entweder durch einen Abscheideprozeß (z.B. Sputtern) aufgebracht oder aus dem Siliziummaterial des Ventilsitzes 15 oder der Ventilklappe 11 herausgeätzt. Im Gegensatz zu der soeben beschriebenen Ausführungsform können die Abstandshöcker auch unterhalb der Basisschicht liegen.
  • In den Fig. 3a bis 3c sind drei weitere Ausführungsformen mechanisch vorgespannter Ventilklappen 11 perspektivisch dargestellt. Fig. 3a zeigt eine an benachbarten Kanten zweiseitig eingespannte, mechanisch vorgespannte Ventilklappe 11a. Fig. 3b zeigt eine an gegenüberliegenden Kanten zweiseitig eingespannte, mechanisch vorgespannte Ventilklappe 11b. Fig. 3c zeigt eine dreiseitig eingespannte, mechanisch vorgespannte Ventilklappe 11c.
  • Durch die mechanische Vorspannung der Ventilklappen 11a-c ist jeweils eine Struktur realisiert, in der ein elektrostatischer Wanderkeil 18 wirken kann. Die Einspannung der Ventilklappen 11a-c kann an den Kanten ein- oder mehrmals unterbrochen sein, um die Ventilklappenstruktur flexibler zu gestalten. Der Vorteil einer an zwei oder drei Kanten eingespannten ventilklappe 11 besteht darin, daß derartige Ventilklappen 11 gegenüber Druckstößen eine vergrößerte Robustheit aufweisen.
  • Beschränkt man sich bei der Herstellung von Mikroventilen nicht auf ein anisotropes Ätzen von 〈100〉-Silizium mit KOH, so sind beliebig geformte (runde, ovale, dreieckige, etc.) Ventilklappen 11 herstellbar, die jeweils an einigen Stellen nicht mit dem Ventilsitz 15 verbunden sind und sich dort durch die mechanische Vorspannung aufbiegen können. Die Ventilklappen 11a-c können wegen der Keilstruktur, d.h. aufgrund ihrer nicht überall parallelen Anordnung zu der Auflagestruktur 12, mit relativ kleine Betätigungsspannungen die Durchlaßöffnung 13 schließen.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber herkömmlichen Ventilvarianten besteht darin, daß die öffnenden Kräfte der Ventilklappe 11 und damit die normalerweise offene ("normally open") Stellung durch die mechanische Vorspannung einer Beschichtung 17 eingestellt wird, wobei bei anderen bekannten Ventilen die normalerweise offene Stellung durch die Aufhängung der Ventilklappenstruktur vorgenommen werden muß. Die Aufhängung der Ventilklappenstruktur begrenzt bei bekannten Mikroventilen eine weitere Miniaturisierung. Im Gegensatz dazu können Mikroventile gemäß der vorliegenden Erfindung mit sehr geringen Abmessungen (z.B. 3 mm x 3 mm) hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten gering gehalten werden.
  • Die öffnenden Kräfte bei der Ventilklappe 11 der vorliegenden Erfindung werden vor allem durch die mechanische Vorspannung in der Maskierungsschicht bestimmt, wodurch die öffnenden Kräfte von der Geometrie der Ventilklappenstruktur unabhängig sind.
  • Ein oft auftretendes Problem sind die Leckraten des Mikroventils 10, z.B. wegen des Verkippens der Ventilklappenstruktur gegenüber der Auflagestruktur 12. Bei dem Mikroventil 10 der vorliegenden Erfindung ist eine Verkippung wesentlich unwahrscheinlicher, da zwei planpolierte Strukturen aneinander befestigt werden, wodurch sehr gute Abdichteigenschaften erreicht werden.
  • Eventuell auftretende Anhafteffekte, die aufgrund des Eindringens von Ladungen in die Isolation bei hohen Feldstärken auftreten können, können beim Betrieb eines Mikroventils ein Problem darstellen. Diese Effekte können durch eine bipolare Ansteuerung des Mikroventils 10 sowie durch die Realisierung der Abstandshöcker 21, die vorher beschrieben wurden, verhindert werden.
  • Der Durchfluß durch das Mikroventil 10 kann ausgehend von der mechanischen Vorspannung der vorgespannten Ventilklappe 11 durch ein Modell berechnet werden kann. Wichtige Optimierungsparameter für das erfindungsgemäße Mikroventil 10 sind: mechanische Vorspannung der Beschichtung 17, Dicke, Länge, Breite der Ventilklappe 11, Lage und Form der Durchlaßöffnungsfläche, Lage und Form des Fluidflusses Φ, Dicke der Beschichtung 17. Wichtige Betriebsparameter sind: Einlaß- und Auslaßdruck und Betätigungsspannung. Wichtige Stoffgrößen für das Modell sind: Adiabatenkoeffizient, Dichte und Viskosität des zu steuernden Fluids. Die elektrostatischen Schließkräfte können zunächst mit einfachen Modellen abgeschätzt werden, wobei Modelle für den elektrostatischen Pumpenbetrieb entsprechend modifiziert übernommen werden können.

Claims (11)

  1. Mikroventil (10) mit folgenden Merkmalen:
    einer Auflagestruktur (12);
    einer Durchlaßöffnung (13), die sich durch die Auflagestruktur (12) erstreckt;
    einer mechanisch vorgespannten, zumindest einseitig befestigten Ventilklappe (11), die in ihrem unbetätigten Zustand von der Auflagestruktur (12) weggebogen ist und die Durchlaßöffnung (13) öffnet und in ihrem betätigten Zustand an der Auflagestruktur (12) anliegt und die Durchlaßöffnung (13) verschließt;
    gekennzeichnet durch
    eine elektrisch isolierende Beschichtung (17), die auf der der Auflagestruktur (12) zugewandten Seite der Ventilklappe (11) angeordnet ist und die Ventilklappe (11) mechanisch vorspannt, wobei die Beschichtung (17) im Bereich der Befestigung der Ventilkappe (11) auf der Auflagestruktur aufliegt, um die Ventilklappe (11) elektrisch von der Auflagestruktur (12) zu isolieren.
  2. Mikroventil (10) gemäß Anspruch 1, mit
    einer Vorrichtung zum Anlegen einer Betätigungsspannung zwischen der Ventilklappe (11) und der Auflagestruktur (12).
  3. Mikroventil (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem
    zwei aneinander angrenzende Seiten der Ventilklappe (11) gegenüber der Auflagestruktur (12) festgelegt sind.
  4. Mikroventil (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem
    zwei gegenüberliegende Seiten der Ventilklappe (11) gegenüber der Auflagestruktur (12) festgelegt sind.
  5. Mikroventil (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem
    drei Seiten der Ventilklappe (11) gegenüber der Auflagestruktur (12) festgelegt sind.
  6. Mikroventil (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
    zwischen der Ventilklappe (11) und der Auflagestruktur (12) Abstandshöcker (21) vorgesehen sind.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils (10), mit folgenden Schritten:
    Bilden einer Durchlaßöffnung (13) in einer Auflagestruktur (12);
    Bilden einer mechanisch vorgespannten, zumindest einseitig befestigten Ventilklappe (11) in einem Ventilsitz (15), die in ihrem unbetätigten Zustand von der Auflagestruktur (12) weggebogen ist und die Durchlaßöffnung (13) öffnet und in ihrem betätigten Zustand an der Auflagestruktur (12) anliegt und die Durchlaßöffnung (13) verschließt;
    Anordnen einer elektrisch isolierenden Beschichtung (17), die die Ventilklappe (11) unter eine Vorspannung setzt, auf der der Auflagestruktur (12) zugewandten Seite der Ventilklappe (11); und
    Zusammenfügen der mit der Durchlaßöffnung (13) versehenen Auflagestruktur (12) und des Ventilsitzes (15), derart, daß die Ventilklappe (11) die Durchlaßöffnung (13) verschließen kann und die Beschichtung (17) zwischen dem Ventilsitz (15) und der Auflagestruktur (12) angeordnet ist und im Bereich der Befestigung der Ventilklappe (11) auf der Auflagestruktur (12) aufliegt.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils (10) gemäß Anspruch 7, bei dem
    zwei aneinander angrenzende Seiten der Ventilklappe (11) gegenüber der Auflagestruktur (12) befestigt werden.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils (10) gemäß Anspruch 7, bei dem
    zwei gegenüberliegende Seiten der Ventilklappe (11) gegenüber der Auflagestruktur (12) befestigt werden.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils (10) gemäß Anspruch 7, bei dem
    drei Seiten der Ventilklappe (11) gegenüber der Auflagestruktur (12) befestigt werden.
  11. Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils (10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem
    zwischen der Ventilklappe (11) und der Auflagestruktur (12) Abstandshöcker (21) gebildet werden.
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