EP0836012B1

EP0836012B1 - Mikroventil

Info

Publication number: EP0836012B1
Application number: EP97113979A
Authority: EP
Inventors: Martin Dipl.-Phys. Richter; Stefan Dipl.-Phys. Kluge
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 2003-07-02
Anticipated expiration: 2017-08-13
Also published as: DE19637945C2; EP0836012A3; DE19637945A1; EP0836012A2; DE59710369D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ventile zur Steuerung einer Fluidströmung und insbesondere auf Mikroventile und Verfahren zur Herstellung derselben, bei denen eine Ventilklappe von einer Auflagestruktur nur sehr wenig beabstandet ist.

Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht eines bekannten Mikroventils, das in dem U.S. Patent Nr. 4,585,209 beschrieben ist. Eine Ventilklappe 160 befindet sich über einer Auflagestruktur 120, die eine Mehrzahl von Ventilöffnungen 140 aufweist. Dieses Mikroventil 100 ist ein Ventil, das normalerweise geschlossen ist.

Die in Fig. 6 gezeigte Situation bezieht sich auf eine vorhandene Fluidströmung 180 durch die Ventilöffnungen 140, die die Ventilklappe 160 in einen offenen Zustand bewegt. Wird nun zwischen die Auflagestruktur 120 und die Ventilklappe 160 eine elektrische Spannung angelegt, so wird sich die Ventilklappe 160 zur Auflagestruktur 120 hin bewegen und das Mikroventil 100 schließen, wodurch die Fluidströmung 180 gesteuert werden kann. Bei dem Mikroventil 100 in Fig. 6 besteht die mit den Ventilöffnungen 140 versehene Auflageplatte 120 aus Glas, wohingegen die Ventilklappe 160 aus Silizium hergestellt ist. Die Mehrzahl von Ventilöffnungen 140 werden in der Glasplatte 120 mittels Laserbohren gebildet. Wie es in dem U.S. Patent Nr. 4,585,209 beschrieben ist, kann die Glasplatte 120 mittels eines geeigneten Hochfrequenz-Ätzmittels geätzt werden, wobei dann jedoch keine Mehrzahl von Öffnungen gebildet werden kann, sondern lediglich eine einzige Ventilöffnung. Aus Fig. 6 ist zu sehen, daß die Auflagestruktur 120 zwar eine Mehrzahl von Ventilöffnungen 140 aufweist, daß jedoch die bezüglich Fig. 6 ganz rechte Ventilöffnung 140 nicht besonders viel zur Fluidströmung 180 beitragen kann, da die Fluidströmung 180 durch die einseitig aufgehängte Ventilklappe 160 stark behindert wird. Den wesentlichen Anteil zur Fluidströmung werden daher die Ventilöffnungen, die eher auf der linken Seite angeordnet sind, liefern, wodurch ein "effektiver Ventilöffnungsquerschnitt" bei dem bekannten Mikroventil wesentlich kleiner als ein "praktisch wirksamer Ventilöffnungsquerschnitt" ist.

Ferner ist der Austrittsweg der Fluidströmung 180 durch die geringe Beabstandung der Spitze der Ventilklappe 160 zu der linken Haltestruktur der Ventilklappe begrenzt. Außerdem vergrößern die sich in Richtung des Fluidflusses konisch verkleinernden Ventilöffnungen 140, deren Gestalt durch die Technologie des Laserbohrens festgelegt ist, den Strömungswiderstand des Mikroventils 100.

Das US-Patent Nr. 4,538,642 offenbart ein schnell wirkendes mechanisches Ventil, das ein erstes mikroporöses planares elektrisch leitfähiges plattenartiges Bauglied 4 aufweist, das eine Mehrzahl von Öffnungen umfaßt. Die Öffnungen des ersten elektrisch leitfähigen Films sind versetzt zu Öffnungen in einem zweiten mikroporösen planaren elektrisch leitfähigen plattenartigen Bauglied angeordnet. Sowohl der obere Film als auch der untere Film bestehen aus Aluminium. An dem oberen Film ist eine isolierende Schicht, die aus Aluminiumoxid besteht, angebracht. Der obere und der untere Film sind an einem Ende kurzgeschlossen, während an einem anderen Ende eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Ein durch die leitfähigen Filme fließender Strom wird in dem oberen Film in der einen Richtung und in dem unteren Film in der entgegengesetzten Richtung zurückfließen. Dieser Stromfluß in entgegengesetzten Richtungen durch die parallelen elektrisch leitfähigen Filme treibt sie aufgrund entgegengesetzter elektromagnetischer Felder voneinander weg, wodurch ein Öffnen des Ventils erreicht wird.

Die DE 4402096 A1 offenbart ein mikrominiaturisiertes Ventil mit einem kristallinen Substrat, das einen Flußweg und eine angehobene Ventilsitzstruktur aufweist. Das Ventilsitzsubstrat umfaßt eine einzige Ventilöffnung, die gegenüber einer Armatur liegt, die die Ventilöffnung verschließen kann. In geschlossenem Zustand berührt die Armatur einen Ventilsitz, der sich von dem Sitz-Substrat erstreckt, und in Form einer Dichtungslippe um die Ventilöffnung herum gebildet ist. Zur Reduzierung des Strömungswiderstandes sind unterschiedliche Ausgestaltungen des Ventilsitzes bzw. der Dichtungskante um die einzige Ventilöffnung herum offenbart.

Die EP 0314285 offenbart eine Siliziumventilanordnung zum Steuern des Flusses eines Fluids. Die Silizium-Ventilanordnung besteht aus einer Düsenplatte und einer elastischen Siliziumplatte, die beide zueinander versetzte Öffnungen aufweisen. Die Ventilplatte hat einen vorstehenden Umfangsrand, durch den die Ventilplatte mit der Düsenplatte fest verbunden ist. In der Mitte der Ventilplatte ist eine Ausnehmung vorhanden, durch die ein Betätigungskolben die darunter liegende Düsenplatte auslenken kann, um das Ventil zu öffnen. Aufgrund der Elastizität schließt sich das Ventil selbsttätig, wenn der Betätigungskolben zurückgezogen wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mikroventil mit minimalem Strömungswiderstand zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Mikroventil gemäß Anspruch 2 gelöst.

Bei einem Mikroventil limitiert die Stelle mit dem kleinsten Strömungsquerschnitt den Fluiddurchfluß durch das Mikroventil. Aufgrund des bei elektrostatisch betriebenen Mikroventilen vorhandenen geringen Abstands zwischen der Ventilklappe und der Auflagestruktur ist nicht die Querschnittsfläche der Ventilöffnung für den Fluiddurchfluß maßgebend, sondern der Umfang der Ventilöffnung, wobei sich der wirksame Strömungsquerschnitt im wesentlichen aus der Multiplikation des Umfangs der Ventilöffnung mit dem Abstand zwischen Ventilklappe und Auflagestruktur ergibt.

Andererseits ist die Querschnittsfläche der Ventilöffnung für die Fluidkraft oder im Falle eines Gases als Fluid pneumatische Kraft, die auf die Ventilklappe wirkt, maßgeblich.

Der Erfindung liegt daher die Erkenntnis zugrunde, daß zum Erreichen eines möglichst geringen Strömungswiderstandes, d.h. eines möglichst hohen Fluiddurchflusses, folgende Maßnahmen unternommen werden müssen:

der Umfang der Ventilöffnung muß bei gegebener pneumatisch wirksamer Fläche optimiert werden;
der Strömungswiderstand der Zuleitungen muß durch Vergrößerung der Querschnittsflächen für die Strömung in den Zuleitungen minimiert werden;
zur Verringerung des Strömungswiderstandes der Zuleitungen müssen diese ferner verkürzt werden, was durch Bilden von geeigneten Löchern in der Ventilklappe erreicht wird; und
zum Erreichen eines minimalen Strömungswiderstandes bei geöffnetem Ventil muß die Länge der Ventilöffnungen minimal sein.

Alle diese Maßnahmen dienen dem Ziel, die pneumatische Kraft auf die Ventilklappe zu minimieren, damit sie für das Betreiben des Ventils vernachlässigt werden kann.

Ferner müssen bei allen obigen Betrachtungen zusätzliche Randbedingungen berücksichtigt werden, wie z.B. ein minimaler Platzbedarf des Mikroventils, eine ausreichende Stabilität für mechanische und pneumatische Anforderungen sowie möglichst geringe Kosten durch Auswahl geeigneter Materialien und durch Beschränkung auf eine minimale Anzahl von Herstellungsschritten.

Bei dem erfindungsgemäßen Mikroventil soll somit der Einfluß der pneumatischen Kraft minimiert werden. Die Öffnungs- und Schließkräfte des Fluids auf die Ventilklappe sollen im wesentlichen nicht durch das Fluid bewirkt werden, sondern von außen an das Mikroventil angelegt werden. Wenn der Einfluß der pneumatischen Kräfte ganz vernachlässigt werden könnte, wäre es möglich, das Mikroventil in beiden Richtungen zu betreiben. Im Gegensatz dazu sieht der Stand der Technik keine öffnende Kraft vor, sondern diese Kraft wird allein durch die pneumatische Kraft bewirkt. Dieses bekannte Ventil ist also in der Tat ein Ventil, das nur in einer Richtung betrieben werden kann.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils;
Fig. 2A: eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils, das eine Maßnahme zum Verringern des Strömungswiderstandes darstellt;
Fig. 2B: eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils, das eine weitere Maßnahme zum Verringern des Strömungswiderstandes darstellt;
Fig. 2C: eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils, das noch eine weitere Maßnahme zum Verringern des Strömungswiderstandes darstellt;
Fig. 3: eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils, bei dem die Maßnahmen der Figuren 2A bis 2C kombiniert sind;
Fig. 4A: eine schematische Draufsicht auf eine Auflagestruktur eines erfindungsgemäßen Mikroventils;
Fig. 4B: eine schematische Draufsicht auf eine weitere Auflagestruktur gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5: eine schematische Draufsicht auf eine Ventilklappe sowie die darunterliegende Auflagestruktur, um die gegenseitige Anordnung von Ventilklappenöffnungen und Ventilöffnungen darzustellen; und
Fig. 6: eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Mikroventil 10 in Querschnittsdarstellung, dessen Strömungswiderstand optimiert werden soll. Das Mikroventil 10 weist eine Auflagestruktur 12 mit einer Ventilöffnung 14 und eine Ventilklappe 16 auf. Ein Pfeil 18 deutet eine Fluidströmung an, die durch das Mikroventil 10 gesteuert werden soll. Das Ventil 10 aus Fig. 1 sowie alle anderen im weiteren beschriebenen Mikroventile sind jedoch auch für die andere Fluidflußrichtung einsetzbar, auch wenn es nicht explizit gesagt wird. Mittels beispielsweise elektrostatischer Kräfte kann die Ventilklappe 16 bezüglich der Auflagestruktur 12 bewegt werden, derart, daß die Ventilöffnung 14 durch die Ventilklappe 16 geschlossen werden kann. Es ist jedoch nicht möglich, die Klappe mit elektrostatischen Kräften zu öffnen. Theoretisch können zwar auf die beiden Elektroden (Klappe und Auflagestruktur) gleichnamige elektrische Ladungsträger aufgebracht werden, die sich abstoßen. Die entgegengesetzten Ladungsträger, an denen die elektrischen Feldlinien enden, befinden sich aber weit weg, wie z.B. an einem metallischen Gehäuse. Die Kapazität dieser Anordnung ist aber so klein, daß bei gegebener Spannung fast keine gleichnamigen Ladungsträger auf Ventilklappe und Auflagestruktur gebracht werden können. In der Praxis sind daher elektrostatische Kräfte immer anziehend. Die öffnende Kraft für das Mikroventil ist dann beispielsweise einen mechanische Vorspannung, z.B. durch eine federnde Aufhängung der Ventilklappe, oder eine verkippte Montage der Klappe oder eine Kraft durch eine geeignete piezoelektrische Beschichtung.

Bei dem Mikroventil 10 bestehen sowohl die Ventilklappe 16 als auch die Auflagestruktur 12 aus Silizium. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß auch die Auflagestruktur 12 bezüglich der Ventilklappe 16 bewegt werden kann, je nach dem, welches der beiden Elemente fest bzw. elastisch gelagert ist.

Im Spannungs- bzw. drucklosen Zustand ist die Ventilklappe 16 einige Mikrometer von der Auflagestruktur 12 beabstandet, wodurch die Ventilöffnung 14 geöffnet ist.

Das Mikroventil 10 wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung (nicht gezeigt) zwischen der Auflagestruktur 12 und der Ventilklappe 16 betätigt. Dabei fließen Ladungen auf die sich gegenüberliegenden Seiten der beiden Bauteile. Diese Ladungen ziehen sich gegenseitig an, wodurch die Ventilklappe 16 zu der Auflagestruktur 12 hin bewegt wird. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß es sich in Fig. 10 nur um eine schematische Ansicht handelt, da beispielsweise eine zwischen den beiden Komponenten 12 und 16 notwendige Isolationsschicht zum Verhindern eines Ladungsflusses zwischen denselben nicht gezeigt ist.

Ein derartiges Mikroventil weist aufgrund des elektrischen Antriebsprinzips einen sehr geringen Abstand zwischen Ventilklappe und Auflagestruktur auf. Dieser geringe Abstand zwischen der Ventilklappe und der Auflagestruktur beschränkt den Volumenstrom der Fluidströmung 18 durch die Ventilöffnung 14.

Die Fluidkraft oder im Falle eines Gases als Fluid die pneumatische Kraft wirkt bei dem Mikroventil in Fig. 1 in Schließrichtung des Mikroventils 10, wodurch die Zuleitungen 20 zu der Ventilöffnung 14 bei geöffnetem Zustand des Mikroventils 10 verkleinert werden, was wiederum die ungünstige Auswirkung hat, daß der Strömungswiderstand erhöht wird. In geschlossenem Zustand des Mikroventils 10 wirkt die pneumatische Kraft auf die Ventilklappe 16 lediglich auf die Fläche der Ventilklappe 16, die der Ventilöffnung 14 gegenüberliegt. Ist die Querschnittsfläche der Ventilöffnung groß, so kann es zu einer Zerstörung der Ventilklappe 16 bei einem entsprechenden pneumatischen Druck kommen. Die Druckfestigkeit des Mikroventils 10 kann daher durch Verkleinern der pneumatisch wirksamen Fläche erhöht werden. Bei einem gleichen pneumatischen Druck kann zum Erreichen einer gleichen Bruchfestigkeit dagegen die Dicke der Ventilklappe 16 verringert werden, wodurch eine weitere Miniaturisierung des Mikroventils 10 erreicht werden kann.

Fig. 2A stellt ein Mikroventil 50a gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Eine Ventilklappe 52 ist über einer Auflagestruktur 54 angeordnet. Die Auflagestruktur 54 weist eine Mehrzahl von Ventilöffnungen 56 auf, durch die eine Fluidströmung 58, die durch die in Fig. 2A gezeichneten Pfeile schematisch dargestellt ist, fließen kann. Auf der der Ventilklappe 52 gegenüberliegenden Seite weist die Auflagestruktur 54 eine Ausnehmung auf, die einen Steg 60 der Auflagestruktur 54 definiert. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß es sich in Fig. 2A um einen Querschnitt handelt, der durch die Mitten der Mehrzahl von Ventilöffnungen 56 gelegt ist, derart, daß der Steg 60 in der Figur stückweise erscheint. Für Fachleute ist es jedoch offensichtlich, daß der Steg 60 der Auflagestruktur 54 ein flächiger Abschnitt mit im Vergleich zu den Randabschnitten der Auflagestruktur 54 geringerer Dicke ist. Ferner sei angemerkt, daß die Fig. 2A nicht maßstäblich bezüglich der Fig. 1, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben wurde, dargestellt ist. Der Öffnungsquerschnitt der Ventilöffnung 14 von Fig. 1 soll nämlich der Fläche des Stegs 60, d.h. dem Abschnitt der Auflagestruktur 54 mit geringerer Dicke, entsprechen. Dadurch wird bei gleicher Größe der Mikroventile 10 von Fig. 1 und 50a von Fig. 2A der Strömungsquerschnitt, d.h. das Produkt der Summe des Umfangs jeder der Mehrzahl von Ventilöffnungen 56 mit dem Abstand zwischen der Ventilklappe 52 und der Auflagestruktur 54, wesentlich erhöht, wohingegen die pneumatische wirksame Fläche nicht vergrößert wird. Anders ausgedrückt ist der Ventilöffnungsquerschnitt einer einzelnen Ventilöffnung 56 viel kleiner als der Ventilöffnungsquerschnitt der Ventilöffnung 14 von Fig. 1.

Der durch die Ausnehmung definierte Steg 60 in Fig. 2A verkleinert wirksam die Länge der Ventilöffnungen 56, um sie im Rahmen der Stabilitätsanforderungen an die Auflagestruktur 54 für einen minimalen Strömungswiderstand zu optimieren. Die Ausnehmung in der Auflagestruktur 54, die ebenso wie die Ventilklappe 52 aus Silizium besteht, wird beispielsweise naßchemisch mittels KOH auf die geforderte Dicke des Stegs 60 vorgeätzt. Eine derzeit vorhandene Trockenätzung ist zur Herstellung der Ausnehmung nicht geeignet, da sie mit z.B. 300 µm zu dick ist. In dieser Membran, d.h. in dem Steg 60, werden dann viele Öffnungen beispielsweise mittels einer KOH-Ätzung oder durch Trockenätzung realisiert, da der Steg im wesentlichen dünner als 100 µm ist.

Würde nun beispielsweise die Fluidströmung 58 von Fig. 2A umgekehrt, damit sie der Fluidströmung 180 in Fig. 6 entspricht, so würde das Mikroventil 50a aus Fig. 2A einen wesentlich niedrigeren Strömungswiderstand aufweisen, da die Länge der Ventilöffnungen 56 im Vergleich zu den Ventilöffnungen 140 durch die genannte Vorätzung der Silizium-Auflagestruktur 54 wesentlich kürzer gemacht werden kann. Ferner entfällt bei dem Mikroventil 50a in Fig. 2A die aufwendige Verarbeitung von 2 Komponenten, da die Auflagestruktur 120 in Fig. 6 aus Glas gebildet ist, während die Ventilklappe 160 in Fig. 6 aus Silizium besteht.

Fig. 2B zeigt eine weitere Möglichkeit, um das Mikroventil 50a von Fig. 2A strömungstechnisch zu verbessern. Gleiche Teile in Fig. 2B sowie in allen weiteren Figuren bezüglich Fig. 2A sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Unterschied zu Fig. 2A ist in Fig. 2B an der an die Ventilklappe 52 angrenzenden Seite der Auflagestruktur 54 um jede Ventilöffnung 56 herum eine Vertiefung 62 gebildet. Diese Vertiefung 62 wird von der Ventilöffnung 56 durch eine Dichtungskante 64 getrennt. Das in Fig. 2B gezeigte Mikroventil weist einen wesentlich niedrigeren Zuleitungswiderstand auf, da der Abstand zwischen der Ventilklappe 52 und der Auflagestruktur 54 in der Vertiefung 62 vergrößert ist. Die Variante nach Fig. 2B sorgt dennoch durch die Dichtungskante 64 für eine zuverlässige Steuerung der Fluidströmung 58. Ferner kann auf die Herstellung der Vertiefungen verzichtet werden und die Dichtungskante gewissermaßen als inverse Vertiefung z.B. durch Schichtabscheidung hergestellt werden. Im Vergleich zur Höhe der Dichtungskante ist somit ebenfalls eine Vertiefung vorhanden.

Im Gegensatz zu Fig. 2A weist das Mikroventil aus Fig. 2C eine Mehrzahl von Öffnungen 66 in der Ventilklappe 52 auf, die auch als Ventilklappenöffnungen bezeichnet werden. Durch Vorsehen der Ventilklappenöffnungen 66 in der Ventilklappe 52 ist es ebenfalls möglich, den Zuleitungswiderstand zu der Ventilöffnung 56 zu verringern, indem die Länge des Zuleitungswegs im Vergleich zu Fig. 2A verkürzt wird. Die Ventilklappenöffnungen können entweder naßchemisch oder trocken geätzt werden, da die Dicke der Ventilklappe meistens kleiner als 100 µm ist. Zusammenfassend läßt sich anmerken, daß durch die Maßnahme, die in Fig. 2B gezeigt ist, d.h. die Vertiefungen 62, der Strömungsquerschnitt der Zuleitungen verkleinert wird, während in Fig. 2C die Länge der Zuleitungen zu der Ventilöffnung 56 reduziert werden.

Fig. 3 zeigt ein Mikroventil 50b gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Mikroventil 50b weist gegenüber dem Mikroventil 50a einen minimalen Strömungswiderstand für die Fluidströmung 58 auf, indem die in den Fig. 2B und 2C beschriebenen Maßnahmen zur Verringerung des Strömungswiderstandes in das Mikroventil 50a von Fig. 2A eingeführt werden. Die Ausführung der Ventilklappe 52 mit einer Mehrzahl von Ventilklappenöffnungen 66 versetzt zu der Mehrzahl von Ventilöffnungen 56 liefert einen maximalen Ventilöffnungsumfang im Vergleich zur gegebenen pneumatischen Fläche. Das Vorsehen der Vertiefungen 62 zusammen mit den Dichtungskanten 64 verringert wirksam den Zuleitungswiderstand von der Ventilklappe 52 durch die Mehrzahl von Ventilöffnungen 56 der Auflagestruktur 54.

Fig. 4A zeigt eine schematische Draufsicht auf die Auflagestruktur 54, wobei die Vertiefungen sowie die Dichtungskanten aus Klarheitsgründen weggelassen wurden. Die Auflagestruktur von Fig. 3 ergibt sich aus einem Querschnitt entlang der Linie I-I von Fig. 4A. Die Mehrzahl von Ventilöffnungen 56 sind hierbei mehrere rechteckige parallel zueinander angeordnete Ventilöffnungen. Für Fachleute ist es jedoch offensichtlich, daß die Mehrzahl von Ventilöffnungen, wenn es notwendig ist, auch gekrümmte oder dreieckige Strukturen annehmen können.

Fig. 4B zeigt eine weitere Modifikation der Auflagestruktur 54 von Fig. 4A. Um den aufaddierten Umfang aller Ventilöffnungen im Vergleich zur pneumatisch wirksamen Fläche noch weiter zu erhöhen, sind die rechteckigen Ventilöffnungen 56 von Fig. 4A in mehrere quadratische Ventilöffnungen 56 unterteilt worden. Es ergibt sich somit für die Auflagestruktur 54 eine Art einer Siebstruktur. Fig. 3 kann also auch ein Querschnitt durch die Auflagestruktur 54 von Fig. 4B entlang der Linie II-II sein. Die Mehrzahl der Ventilöffnungen 56 in Fig. 4B sind jedoch nicht auf quadratische Löcher beschränkt. Die Löcher können beispielsweise auch eine runde, ovale oder eine sonstige geeignete Form annehmen. An dieser Stelle sei noch einmal in Erinnerung gerufen, daß die Auflagestruktur 54, die als ein Chip realisiert wird, vorgeätzt werden muß, damit sich der Steg 60, der wie bereits angemerkt wurde, ein flächiger Steg ist, gebildet wird. Dadurch kann die Länge der Ventilöffnungen auf ein Minimum eingestellt werden.

Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Ventilklappe 52, wobei die versetzte Anordnung der Ventilklappenöffnungen 66 bezüglich der Ventilöffnungen 56, die in Fig. 5 schraffiert dargestellt sind, sichtbar ist. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß Fig. 5 eine schematische Ansicht ist, da bei einer realen Draufsicht die Ventilöffnungen 56 nicht zu sehen wären, da sie durch die Ventilklappe 52 verdeckt sind. Aus Klarheitsgründen sind in Fig. 5 weder die Vertiefungen 62 um die Ventilöffnungen 56 herum sowie die Dichtungskanten 64, die die Vertiefungen 62 von den Ventilöffnungen 56 abgrenzen, gezeichnet. Die sogenannten "versetzten Siebgeometrien" des regelmäßigen oder unregelmäßigen Arrays von Ventilöffnungen 56 gegenüber dem regelmäßigen oder unregelmäßigen Array von Ventilklappenöffnungen 66 schaffen somit ein Mikroventil 50b, bei dem der Fluiddurchfluß bei minimal wirkender pneumatischer Fläche optimiert ist. Somit kann ein Fluid nach Öffnung der Ventilklappe 52, d.h. durch Erzeugen eines Abstands von der Ventilklappe 52 zu der Auflagestruktur 54, durch alle Ventilklappenöffnungen 66 hindurch auf minimalem Weg durch die Anordnung strömen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils (50a; 50b), mit folgenden Schritten:

Bereitstellen einer Ventilklappe (52);

Bereitstellen einer Auflagestruktur (54) aus Silizium;

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

naßchemisches Ätzen einer Ausnehmung in die Auflagestruktur (54), um einen Bereich (60) verminderter Stärke der Auflagestruktur (54) zu erhalten, wobei sich die Ausnehmung von der der Ventilklappe (52) gegenüberliegenden Seite der Auflagestruktur (54) zu einer der Ventilklappe (52) gegenüberliegenden Seite des Bereichs (60) mit verminderter Stärke hin verjüngt, wenn die Auflagestruktur und die Ventilklappe zueinander angeordnet sind;

Ätzen einer Mehrzahl von Ventilöffnungen (56) in den Bereich (60) verminderter Stärke der Auflagestruktur (54); und

Anordnen der Auflagestruktur (54) und der Ventilklappe (52) zueinander, derart, daß die Ausnehmung an der der Ventilklappe (52) entgegengesetzten Seite der Auflagestruktur (54) angeordnet ist, und daß die Ventilklappe bezüglich der Auflagestruktur beweglich ist, und daß die Ventilklappe in einer ersten Stellung die Mehrzahl von Ventilöffnungen (56) verschließt und in einer zweiten Stellung von der Mehrzahl von ventilöffnungen (56) derart beabstandet ist, daß ein Strömungsquerschnitt, der durch die Mehrzahl von Ventilöffnungen und die Ventilklappe definiert ist, maßgeblich durch einen Abstand der Ventilklappe zu der Auflagestruktur bestimmt ist, um den die Ventilklappe von der zweiten Stellung zu bewegen ist, um die Mehrzahl von Ventilöffnungen zu schließen.
Mikroventil (50a; 50b) mit:

einer Ventilklappe (52); und

einer Silizium aufweisenden Auflagestruktur (54);

einer Mehrzahl von Ventilöffnungen (56);

dadurch gegkennzeichnet daß,
die Auflagestruktur (54) auf ihrer der Ventilklappe (52) entgegengesetzten Seite eine Ausnehmung aufweist, die einen Bereich (60) verminderter Stärke der Auflagestruktur (54) definiert, durch den sich die Mehrzahl von Ventilöffnungen (56) erstreckt,
daß die Ventilklappe (52) bezüglich der Auflagestruktur (54) beweglich ist und in einer ersten Stellung die Mehrzahl von Ventilöffnungen (56) verschließt und in einer zweiten Stellung von der Mehrzahl von Ventilöffnungen (56) derart beabstandet ist, daß ein Strömungsquerschnitt, der durch die Mehrzahl von Ventilöffnungen (56) und die Ventilklappe (52) definiert ist, maßgeblich durch einen Abstand der Ventilklappe zu der Auflagestruktur bestimmt ist, um den die Ventilklappe von der zweiten Stellung zu bewegen ist, um die Mehrzahl von Ventilöffnungen zu schließen; und
daß sich die Ausnehmung von der der Ventilklappe (52) gegenüberliegenden Seite der Auflagestruktur (54) zu einer der Ventilklappe (52) gegenüberliegenden Seite des Bereichs (60) mit verminderter Stärke hin verjüngt.
Mikroventil (50b) gemäß Anspruch 2,
bei dem die Ventilklappe (52) eine Mehrzahl von Ventilklappenöffnungen (66) aufweist, die zu den Ventilöffnungen (56) in der Auflagestruktur (54) versetzt angeordnet sind, derart, daß eine Fluidströmung (58) durch das Mikroventil (50b) gesteuert werden kann.
Mikroventil (50a; 50b) gemäß Anspruch 2 oder 3,
bei dem um die Ventilöffnungen (56) in der Auflagestruktur (54) herum Vertiefungen (62) oder Erhöhungen gebildet sind, wobei die Vertiefungen (62) durch Dichtungskanten (64) von den Ventilöffnungen (56) getrennt sind, während die Erhöhungen die Dichtungskanten (64) sind.
Mikroventil (50a; 50b) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4,
bei dem die Ventilklappe (52) ebenfalls aus Silizium besteht.
Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5,
bei dem die Ausnehmung mittels einer KOH-Ätzung hergestellt ist, während die Ventilöffnungen (56) und die Ventilklappenöffnungen (66) durch naßchemische Ätzung oder trockenchemisch geätzt sind.
Mikroventil (50a; 50b) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6,
bei dem die Mehrzahl von Ventilöffnungen (56) eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Rechtecken ist.
Mikroventil (50a; 50b) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6,
bei dem die Mehrzahl von Ventilöffnungen (56) eine Mehrzahl von in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Array angeordneten Öffnungen ist.
Mikroventil (50a; 50b) gemäß Anspruch 8,
bei dem die Ventilöffnungen (56) rechteckförmig, rund oder oval sind.
Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9,
bei dem die Mehrzahl der Ventilklappenöffnungen (66) versetzt zu den jeweiligen Ventilöffnungen (56) in der Auflagestruktur (54) angeordnet und geformt sind, derart, daß bei geschlossener Ventilklappe (52) kein Durchgang zwischen der Ventilklappenseite und der Auflagestrukturseite vorhanden ist.