KR0159490B1 - 마이크로 밸브 - Google Patents

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KR0159490B1
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엥겔스도르프 쿠르트
메트너 미카엘
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클라우스 포스, 디터 비드마이어
로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
마이크로 밸브
[발명의 상세한 설명]
[종래 기술]
본 발명은 청구범위 제1항의 전재부에 따른 형식의 마이크로 밸브(microvalve)에 관한 것이다.
GB 2, 155, 152A호에는 반도체 기술로 공지된 다층구조로 제조되는 마이크로 밸브가 공지되어 있다. 이러한 마이크로 밸브는 세개의 층을 갖는다. 즉, 입출구와 밸브 시트는 실리콘 베이스층으로 구성되어 있고 중간층은 베이스층에 연결되어 있으며 외부 덮개층도 또한 베이스층에 연결되어 있다. 상기 층은 두 연결부 사이에 압력 매체 링크를 제조하는 공간을 형성한다. 이러한 마이크로 밸브에 있어서, 덮개층(covering layer)은 밸브 시트에 속하는 폐쇄 부재와 합체되는 막으로 구성된다. 이 마이크로 밸브가 작동할 때, 상기 막상에 배치된 정전기 작동 장치(elestrostatic actuating device)는 탄성막(resilient membrane)의 힘뿐만 아니라 밸브 시트를 폐쇄하는 막이 상기 압력에 대해 보정되지 않으므로 입구에 있는 유압도 또한 극복한다. 이결과 마이크로 밸브는 비교적 저압력에만 적합하고 비교적 낮은 유압 스위칭 동력을 순차적으로 재생한다. 상기 마이크로 밸브의 동적 작용은 또한 역으로 작용한다. 마이크로 밸브의 비압력 보정 구조는 비교적 큰 작동력과 비교적 값비싼 작동 장치를 초래한다.
더욱이, 상기 마이크로 밸브 제조 기술이 더 상세히 설명되고, 3차원 공간이 다층 구조에 어떻게 결합되어 있는지가 설명된 EP 0, 250,948A2와 EP 0,261,972A2 공보를 참조하였으며, 다른 기계 요소는 상세한 차동 구조를 조합하는 것이 가능하다. 마이크로 밸브는 2중 또는 3중 밸브로 구성되어 있고, 막은 또한 중간층에 배치되어 있다.
[발명의 장점]
청구범위 제1항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 마이크로 밸브는 비교적 간단하며 값싼 방법으로 정적 압력 보정 구조의 마이크로 밸브를 제조하는 것이 가능한 장점을 갖는다. 압력 보정 구조의 결과로써, 높은 압력을 조절할 수 있거나 또는 저작동력을 사용할 수 있다. 마이크로 밸브의 유동력은 약간 증가하고, 이것은 또한 비교적 작은 중량만이 이동하므로 높은 동력을 얻는 것이 가능하다. 특히, 상기 압력 보정 구조는 저 유닛 비용으로 고정밀 제조 및 부품의 재생 능력이 작은 치수로도 가능하므로 마이크로 기술공학으로 제조하기에 적합하다. 마이크로 밸브의 구조는 다른 마이크로 기술 제조 공학의 성능으로 이상적으로 맞추어진다. 더욱이 상기 마이크로 밸브는 요구에 따라 상호 연결될 수 있으며, 또한 연속 밸브를 형성하도록 결합된다.
청구범위에 기술된 마이크로 밸브의 다른 전개와 개량은 종속항에 기술된 특징의 결과로써 가능하다. 특히, 이들 실시예는 비교적 간단하고 값싼 제품을 만드는 것이 가능하며, 폐쇄 부재 이동의 다양한 방향은 흐름 방향과 흐름 반대 방향으로 개구되는 폐쇄 부재에 의해 가능하며 또한 전기 작동의 다양한 형태가 가능하다.
압력 보정이 입구 측면뿐만 아니라 출구 측면상에서도 달성될 수 있는 결과로써 제5항에 따른 실시예는 매우 유익하다. 양 흐름 방향에 의해 특히 아주 적합한 제12항에 따른 실시예 또한 더욱 양호하며, 동시에 양방향으로의 드라이브는 제14항에 따라 달성되며, 이의 결과로 동력과 동력학이 더욱 증가한다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 양호한 실시예를 첨부 도면을 참조로 하여 하기에 상세히 설명한다.
제1도는 간단히 확대 도시된 마이크로 밸브의 종단면도.
제2도는 내지 제5도는 마이크로 밸브의 제2내지 제5실시예를 도시한 도면.
[양호한 실시예의 설명]
제1도는 확대 및 간단히 표현된 다층 구조를 갖는 단일 마이크로 밸브(10)의 종단면도이며, 각 층은 다른 재료들로 만들어져 있다. 동시에, 제조 기술은 반도체 기술 특히 실리콘 기술, 박막 기술 또는 후막 기술로 공지된 바와같은 다층 구조의 제품에 사용된다. 다층 구조로 일정한 3차원 형상을 제조하기 위한 기술과, 세부 구조에 의해 측정된 기계 요소를 구성하기 위한 전위가 본문에 공지됨을 가정한다.
마이크로 밸브(10)는 베이스층(11)과, 중간층(12) 및 덮개층(13)을 갖는다. 동시에, 중간층(12)으로 이어지는 채널(16)을 경유하여 입구 연결부(17)와 연통하며 상향으로 덮개층(13)까지 인접된 환형 공간(15)은 환형 홈형의 요홈(14)에 의해 중간층(12)에 형성된다. 요홈(14)중 비교적 박막 기부는 중간층과 비교하여 두꺼운 중심적으로 배치된 층 영역(19)을 에워싸는 탄성 환형막(18)을 형성한다. 환형막(18)은 중간층(12)으로 통합되어서 리세스(14)에 의해 형성된 공간(15)에 인접된다.
덮개층(13)은 얇은 디스크형 리세스(22)를 형성하도록 내향으로 팽창된 출구 연결부(21)를 갖는다. 상기 리세스(22)는 중간층(12)과 직면하는 측면상에 환형 밸브 시트(23)를 형성한다. 도시된 마이크로 밸브(10)의 비작동 위치에 있어서, 밸브 시트(23)의 직경과 비교해 감소된 영역에 의해 층부(19)에 부착된 판형 폐쇄부재(24)는 밸브 시트(23)에 대해 놓여 있다. 동시에, 판형 폐쇄부재(24)는 중간층(12)에 첨가된 층으로 구성되어서 동일 또는 다른 재료로 만들어져 있다. 이와 연결하여, 층부(19)와 폐쇄부재(24)의 두께는 중간층(12)의 두께에 대응하도록 선택된다.
마이크로 밸브(10)의 이러한 구조에 대하여, 환형막(18)과, 층부(19) 및 폐쇄부재(24)로 구성된 이동 성분은 가압 영역(26)을 가지며, 이 영역의 크기는 링막(18)의 크기에 의해 측정된다. 동시에, 대향 방향으로 부하된 압력 보정 영역(27)은 이동 성분(18, 19, 24)상에 구성되어 있으며, 이들의 크기는 밸브 시트(23)와 영역(25)에 의해 한정된다. 이들 두 영역(26, 27)은 동일한 크기가 되도록 서로에 결합된다. 판형 폐쇄(24)의 상부 영역(30)은 복귀 압력(P2)으로 부하되어서 밸브 시트(23)에 의해 제한된다. 이동 성분(18, 19, 24)의 하부 영역(31)은 압력(P0)으로 부하되어서 환형막(18)의 유효 직경(32)에 의해 측정된다.
이동 성분(18, 19, 24)에 압력 보정을 완전히 가능하게 하기 위하여, 상기 성분(30, 31)은 필수적으로 동일한 크기이어야 한다. 이것은 이동 성분 이하의 압력(P0)과 이상의 압력(P2)이 거의 동등한 크기인 것을 가정한다. 그러나, 이동 성분(18, 19, 24)위쪽과 아래쪽 공간(22, 28)은 동일 매체를 포함할 필요가 없다. 예를 들어 공간(22)이 액체를 함유하는데 반하여 공간(28)은 공기로 채워져 있다. 이러한 조건하에서 주위 순환 압력은 P0의 압력이 P2의 압력과 거의 동일하도록 양 공간에 나타난다.
전극(29)은 중간층(12)과 직면하는 얇은 리세스(28)에 있는 베이스층(11)에 배치되어 있으며, 이 전극은 폐쇄부재(24)에 의한 전기 작동 수단으로 제공되어서 정전기 드라이브 작동을 형성한다.
마이크로 밸브(10)의 작동 모드가 하기와 같이 기술된다. 즉, 더 상세하게 도시되지 않은 입구 연결부(17)로부터 채널(16)을 경유하여 그 내부로 이어지는 가압 매체는 작동하지 않은 마이크로 밸브(10)를 갖는 공간(15)에 도달하고 이의 입구 압력은 대응적으로 증가할 것이다. 공간(15)압력은 막(18)에서 입력부(26)상에 그리고 동시에 폐쇄부재(24)에서 환형 압력 보정부(27)상에서 하향으로 작용한다. 이들 두 압력부(26, 27)는 거의 동일한 크기가 되도록 구성되어 있으므로, 이동 성분(18, 19, 24)은 대응 정적으로 압력을 보정한다. 탄성 환형막(18)의 복원력의 영향하에서, 폐쇄부재(24)는 밸브 시트(23)와 밀접 접촉하여 출구 연결부(21)에 링크를 막는다. 환형막(18)의 복원력(18)은 마이크로 밸브(10)의 압력 보정 구성의 중요성과 같이 매우 작다.
마이크로 밸브(10)를 개방하기 위하여, 전극(29)은 전압에 연결되어 있고, 이결과 이동 성분(19, 24)에 의한 정전기 드라이브는 공지된 방법으로 작동하여 폐쇄부재(24)가 하향으로 이동하며 이것은 밸브 시트(23)를 상승시키는 것이 가능하다. 압력 매체는 출구 연결부(21)에서는 공간(15)밖으로 흐른다.
마이크로 밸브(10)를 폐쇄하기 위해서는, 정전기 드라이브(29)는 스위치가 오프되며, 이 결과 폐쇄부재(24)는 탄성 환형막(18)의 복원력의 영향하에서 다시 밸브 시트(23)상에 놓여지며 연속하여 압력 매개 링크를 막는다. 동시에, 각각 영역(30, 31)상의 압력(P2, P0)은 필수적으로 동일한 크기를 가지며 연속하여 압력 보정은 또한 상기 영역에 관련하여 존재한다.
마이크로 밸브(10)의 압력 보정 구성의 결과로서, 지금까지 보다 더 높은 압력이 제어되고, 비교적 약하고 값싸며 공간을 절약하는 드라이브는 전기 작동 수단으로써 사용된다. 마이크로 밸브는(10)는 높은 수압 또는 공기압을 제어하기 적합하며 또한, 높은 동력학을 만드는 것이 가능하다. 동시에, 압력 보정 영역(31)은 부분 압력 보정만이 달성되도록 압력부(30)의 크기에 관련하여 또한 결합된다. 압력부(30, 31)는 잔여 정지 압력에 부가하여 흐름으로부터 나타난 동력이 또한 고려되어 마이크로 밸브(10)의 스위치 동작에 영향을 미치도록 서로에 결합되어 있다.
제2도에는 동일 참조 부호가 동일 성분 및 부분에 사용된 바와같이 제1도에 따른 마이크로 밸브(10)와는 다른 제2마이크로 밸브(40)가 도시되어 있다.
제2마이크로 밸브에 있어서, 밸브 시트(41)는 커버판(13)의 외측에 배치되어 있다. 즉, 커버판(13)에 있는 개구(42)의 하류에 배치되어 있다. 폐쇄 부재(43)는 영역(25)에 대응하며 개구(42)를 통과하여 중간층(12)의 중심층부(19)에 견고히 연결된 스텃형 단면(44)을 갖는다. 동시에 중심층부(19)의 두께는 중간층(12)의 두께만큼 크다. 중간층(12)과 덮개층(13)은 특별 분리층(45)에 의해 서로로부터 일정 거리에 유지된다. 환형 압전기 코팅(46)은 폐쇄부재(43)에 의해 전기 작동 수단으로써 링막(18)상의 요홈(28)상의 요홈(28)내부에 제공되어 있다. 제2마이크로 밸브에 있어서, 링막(18)에 있는 압력부(26)와 폐쇄부재(43)에 있는 압력 보정부(27) 및 영역(30, 31)들은 이동 성분으로 정압 보정을 위해 구성되어 있으며, 이 공간(15)은 중간층(12)으로부터 분리층(45)과 덮개층(13)을 통해 연장된 압력 매체로 채워져 있다.
제2마이크로 밸브(40)의 작동 모드는 제1마이크로 밸브(10)의 작동 모드에 대응하나, 환형막(18)은 압전기 코팅(46)에 의해 상향으로 작동되며 연속하여 폐쇄부재(43)는 흐름 방향르로 개방된다. 동일 압력이 입구에 있는 압력으로서 이 밸브 구조의 요홈(28)에 존재한다면, 즉, 밸브 시트(41)의 하류에 있다면, 환형막(18)과 층부(19) 및 폐쇄부재(43)로 구성된 이동 성분은 입구와 출구에 있는 압력에 대해 압력을 보정한다.
제3도에는 중간층(12) 링막(18)영역에 있는 요홈(28)내부에 구비된 열전기 코팅(51)이 전기 작동 수단으로 제공되는 제1마이크로 밸브(10)와 다른 제3마이크로 밸브(50)의 종단면도가 도시되어 있다. 폐쇄부재(24)는 제1마이크로 밸브(10)의 경우와 같이 동일 이동 방향으로 작동 즉 도시된 스타팅 위치로부터 하향으로 이동한다.
제4도에는 열 유체작동이 피에조전기 작동 대신에 구비된 제2도에 도시된 제2마이크로 밸브(40)와 다른 제4마이크로 밸브(60)가 도시되어 있다. 이러한 목적에 의하면, 전류가 이것을 통하여 흐를때 까지 가열되는 열저항(61)은 베이스층(11)의 요홈에 공급된다. 이러한 목적에 있어서, 이것은 전류가 팽창되도록 요홈(28)내에 둘러싸인 유체(액체 또는 가스)를 가열한다. 압력 증가의 중요성이 요홈(28)에서 발생될 때, 환형막(18)은 상향으로 편향되고 폐쇄부재(43)는 흐름 방향으로 개방된다.
제5도에는 환형막과 전기 작동 장치가 복수로 존재하는 제1도에 도시된 마이크로 밸브(10)와 다른 제5마이크로 밸브(70)가 도시되어 있다. 이것은 두개의 다른 중간층(71, 72)을 포함한다. 제1도로부터 이동 성분(19, 24)은 다른 중심층부(74)를 경유하여 중간층(72)으로 구성된 제2환형막(73)에 연결되어 있다. 제1환형막(18)아래쪽의 전기 작동부(29)와 같은 방법으로 구성된 다른 전기 작동부(75)는 덮개층(13)에 있는 이동 성분(19, 24, 74)상에 구비되어 있다. 이것은 마이크로 밸브(70)의 완전한 대칭 구성을 달성한다. 특히, 완전한 입력 보정은 압력(P0, P2)이 서로로부터 정확히 고려하여 다르다면 이러한 구성에 있어서 이동 성분(19, 24, 74)을 보호한다.
마이크로 밸브(10)의 경우에 있어서, P0 와 P2 간의 압력차가 작을 것이며, 각 적용 케이스에 있어서 압력차가 발생하지 않을 것이다.
이동 성분(19, 24, 74)상부 또는 하부에 존재하는 전기 작동 수단(75 또는 79)은 밸브가 전기 작동부에 의해 개방 또는 폐쇄될 수 있는 장점을 갖는다. 마이크로 밸브(10)의 경우에 있어서, 폐쇄는 환형막(18)의 탄성 복귀력의 결과로 발생한다.
본 발명의 정신으로부터 벗어남 없이 다양한 변경과 수정은 도시된 실시예로 가능하다.

Claims (19)

  1. 입출구용 두개 이상의 압력 매체 연결부(17,21)와, 전기적 작동 수단(29, 46, 51, 61)에 의해 편향되도록 결합된 폐쇄부재(24, 43)사이에 삽입된 밸브 시트(24, 43)및, 압력 부하막(18, 26)과 대향 방향으로 작동하는 압력 보정 영역(27)을 포함하고, 상기 압력 매체 연결부(17, 21)와 상기 밸브 시트(23, 41) 및 상기 폐쇄부재(24, 43)는 재료층(11, 12, 13, 24)으로 구성된 2차원으로 제조되고, 상기 폐쇄부재는 복원 수단(18, 75)에 의해 전기적 작동 수단(29, 46, 51, 61)과 대향 방향으로 이동하며, 상기 폐쇄부재(24, 43)는 상기 층(17, 72)중 하나에 합체되어 압력 매체로 부하된 공간(15)에 인접한 막(18, 16)에 견고히 연결되어 있는 다층 구조의 마이크로 밸브(10, 40, 50, 60, 70)에 있어서, 상기 폐쇄 부재(24, 43)는 판형 구조이며 밸브 시트(23, 41)와 비교하면 감소된 영역(25)에 의해 상기 막(18, 26)에 부착되어 있고, 상기 판형 폐쇄부재(24, 43)의 환형 영역(27)은 상기 막(18, 26)에 대향 배치하고 상기 막(18, 16)의 압력 부하영역(26)과 대향 방향으로 작동하는 압력 보정 영역을 형성하는 밸브 시트(23, 41)에 대해 방사 방향 외향으로 감소된 영역(25)을 에워싸며, 상기 대향 작동 영역(26, 27)은 동일 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밸브 시트(23, 41)의 측면 연장부는 상기 막(18)의 유효 측면 연장부(32)에 거의 대응하는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공간(15)에 연결되지 않은 다른 연결부(21)에서 압력에 의해 부하되고, 압력 보정 영역(27)에 대향으로 배치된 폐쇄부재(24)의 영역(30)은 요홈(28)에서 압력에 의해 부하되고, 막의 유효 측면 연장부에 의해 측정되는 막(18)의 영역만큼 큰 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  4. 제1항에 있어서, 상기 막(18)은 차례로 베이스층(11)에 배치된 중간층(12)으로 구성되어 있고, 중간층(12)은 베이스층(11)으로부터 떨어진 그 측면상에 층(13, 71), 특히 밸브 시트(23, 41)로 구성된 덮개층(13)을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  5. 제4항에 있어서, 상기 막은 탄성 환형막(18)으로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  6. 제5항에 있어서, 상기 환형막(18)을 형성하기 위해 중간층(12)은 공간(15)을 형성하는 환형홈의 형태인 요홈(14)을 가지며, 이 요홈(14)은 상기 막(18)보다 더 두꺼운 중심층 영역(19)을 에워싸고, 상기 작동 폐쇄부재(24)는 상기 막(18)에 대해 부가층으로 형성된 판형 작은판(24)으로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  7. 제4항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 막(18)과 폐쇄 부재(24)는 중간층(12)의 두께 내측으로 함께 연장되는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  8. 제7항에 있어서, 상기 덮개층(10)의 밸브 시트(23)는 상기 중간층(12)과 직면하는 덮개층의 내부 측면상에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  9. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 시트(41)는 덮개층(13)의 외측에 배치되고 상기 폐쇄 부재(43, 44)는 상기 덮개층(13)을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  10. 제4항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동 성분(18, 24, 73)은 이중 환형막(18, 73)을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브(제5도).
  11. 제10항에 있어서, 상기 밸브 시트(23)를 지지하는 중간층(71)은 환형막(18, 73)을 형성하는 중간층(12, 72)사이에 배치되어 있고, 상기 폐쇄부재(24)는 중간층(12, 72)의 중심층 영역(19, 74)사이에 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  12. 제11항에 있어서, 작동 수단(29, 75)은 이중 환형막(18, 73)을 갖는 이동 성분(18, 24, 73)상하부에 대칭적으로 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  13. 제12항에 있어서, 압전기 또는 열전기 작동 코팅(46 또는 51)은 상기 막(18)의 작동 수단으로써 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  14. 제12항에 있어서, 전극(29)은 막(18)을 정전기적으로 견인하기 위한 작동 수단으로써 베이스층(11)에 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  15. 제12항에 있어서, 열저항(61)은 상기 막(18)의 열유체 편향에 대한 작동수단으로써 베이스층(11)에 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  16. 제12항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서, 상기 공간(15)은 입구 연결부(17)에 연결된 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다층 구조는 실리콘 기술로 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다층 구조는 박막 또는 후막 기술로 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 분사 밸브 또는 보조 밸브용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브.
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