SE1000116A1

SE1000116A1 - A micromechanical high pressure check valve and manufacture of

Info

Publication number: SE1000116A1
Application number: SE1000116A
Authority: SE
Inventors: Lars Stenmark
Original assignee: Maanbas Alpha Ab
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2011-08-09
Also published as: SE535472C2

Abstract

12 8 ABSTRAKT Uppﬁnningen i denna ansökan beskriver en mikromekaniskt system för ett högtrycks backventilmed ovanligt stort dynamiskt omfång, dvs öppningstrycket är mycket lågt jämfört med denmaximala mottrycket som ventilen klarar. Ett detalj erat konstruktionsexempel presenterastillsammans med en beskrivning av några viktiga steg för tillverkningen av densamma. Denganska komplexa ventilkonstruktionen kan tillverkas med rimliga kostnader som en följd av demikromekaniska tillverkningsmetoderna som är inblandade , om en eller tio ventiler kan tillverkasi samma process-steg så innebär det ingen större extra kostnad att öka antalet ventiler. Eftersom det är en helt integrerat system utan yttre anslutningar eller andra gränssnitt kandemekaniska dimensionema vara mycket små. Den fysiska storleken på varje komponent i systemet,beror naturligtvis på ﬂödes- och tryckkrav, men är normalt för den tänkta applikationen ett parkubik millimeter, detta resulterar i en total system volym på cirka 10-20 kubikmeter millimeter.Användningsområdet är gashantering under höga tryck med hjälp av Mikro System Teknik.Tekniken möjliggör ett paradigmskifte i miniatyriserade gashanterings system men kan även ianvändas stora system för en distribuerad och säker gashantering i t.ex. gasdrivna fordon. 12 8 ABSTRACT The invention in this application describes a micromechanical system for a high-pressure non-return valve with an unusually large dynamic range, ie the opening pressure is very low compared to the maximum back pressure that the valve can handle. A detailed construction example is presented together with a description of some important steps for the manufacture thereof. The complex valve design can be manufactured with reasonable costs as a result of the demicromechanical manufacturing methods involved, if one or ten valves can be manufactured in the same process step, it does not involve any major extra cost to increase the number of valves. Because it is a fully integrated system without external connections or other interfaces, the mechanical dimensions can be very small. The physical size of each component of the system, of course, depends on the fate and pressure requirements, but is normally for the intended application a pair cubic millimeter, this results in a total system volume of about 10-20 cubic meters millimeter. The area of application is gas handling under high pressures with with the help of Mikro System Teknik. The technology enables a paradigm shift in miniaturized gas management systems, but large systems can also be used for a distributed and secure gas management in e.g. gas-powered vehicles.

Description

4 SAMMANFATTNING Den här presenterade uppﬁnningen löser problemet, med ett extremt stort dynamiskt arbetsområde, för en mikromekanisk högtrycksbackventil, på ett nytt sätt. Det sker med hjälp av en tre ventil lösning, där de tre ventilema arbetar i symbios tillsammans med hjälp av några stödstrukturer. Den första ventilen har hög hållfasthet mot höga mottryck, Den andra ventilen förhindrar läckage vid låg tryckskillnad över systemet. Den tredje ventilen skyddar systemet genom att ge en tryckavtappning av systemet när när trycket faller från mycket höga tryck ner till atmosfärstryck. Den mikromekaniska tillverkningsmetoder beskivs i denna ansökan ger en inblick i hur mikrobearbetning kan användas för praktiska förverkligandet av ett komplext mikrosystem. 4 SUMMARY This presented solution solves the problem, with an extremely large dynamic working range, of a micromechanical high pressure check valve, in a new way. This is done with the help of a three valve solution, where the three valves work in symbiosis together with the help of some support structures. The first valve has high strength against high back pressures. The second valve prevents leakage at low pressure differences across the system. The third valve protects the system by providing a pressure relief of the system when when the pressure drops from very high pressures down to atmospheric pressure. The micromechanical manufacturing methods described in this application provide an insight into how microprocessing can be used for the practical realization of a complex microsystem.

Det primära användningsområdet för den mikromekaniska backventilen är att lagra vätgas eller andra gaser i små autonoma tankar för att ersätta fossila bränslen i bilar, lastbilar och för andra mobila applikationer. 5 KORT BESKRIVNING Av RITNINGARNA Figur 1 är ett blockdiagram av ventilsystemet.The primary use of the micromechanical check valve is to store hydrogen or other gases in small autonomous tanks to replace fossil fuels in cars, trucks and for other mobile applications. 5 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a block diagram of the valve system.

Figur 2A är ett tryck mot tiden diagram under början av proceduren för fyllning. .Figure 2A is a pressure versus time diagram at the beginning of the filling procedure. .

Figur 2B är ett tryck mot tiden diagram under slutet av startproceduren Figur 2C är ett tryck mot tiden diagram under tryckfallet efter påfyllningproceduren.Figure 2B is a pressure versus time diagram during the end of the start procedure Figure 2C is a pressure versus time diagram during the pressure drop after the fill procedure.

Figur 2D är ett tryck mot tiden diagram vid avslutning av påfyllningsproceduren Figur 3 är ett utvikt schematisk tvärsnitt genom en ”wafer stack”.Figure 2D is a pressure versus time diagram at the end of the filling procedure. Figure 3 is a folded schematic cross section through a wafer stack.

Figur 4 är ett tvärsnitt genom designen av en normalt öppen högtrycksventil.Figure 4 is a cross section through the design of a normally open high pressure valve.

Figur 5 är ett tvärsnitt genom en systemkompatibel normalt stängd lågtrycks ventil.Figure 5 is a cross section through a system compatible normally closed low pressure valve.

Figur 6 är ett tvärsnitt genom den normalt stängda lågtrycksventilen, med en integrerad motriktad normalt stängd backventil för mellan höga mottryck.Figure 6 is a cross-section through the normally closed low pressure valve, with an integrated opposite normal closed non-return valve for between high back pressures.

Figur 7A är ett tvärsnitt som visar topograﬁn för två brickor, som bondade tillsammans bildar den normalt stängda backventil, som visas i figur 5.Figure 7A is a cross-sectional view showing the topography of two washers, which bonded together to form the normally closed non-return valve shown in Figure 5.

Figur 7B är ett tvärsnitt genom wafer stacken med en komplett ventilkonﬁguration i densamma.Figure 7B is a cross section through the wafer stack with a complete valve configuration in it.

Figur 8A är ett tvärsnitt som visar topograﬁn för två brickor innan de är bondade tillsammans och som bondae med ﬁxeringbryggorna frisläppta bildar de två antiparallella backventilerna, som visas i ﬁgur 6.Figure 8A is a cross-sectional view showing the topography of two washers before being bonded together and bonded with the x-ray bridges released to form the two antiparallel check valves shown in Figure 6.

Figur 8B är ett tvärsnitt genom de två brickorna i ﬁgur 8a när de är bondade tillsammans innan frxeringesbryggoma är frigjorda.Figure 8B is a cross-sectional view of the two washers of Figure 8a when bonded together before the release bridges are released.

Figur 8C är samma som SB men efter frisläppandet av ﬁxeringsbryggorna.Figure 8C is the same as SB but after the release of the erings xering bridges.

Figur 9 är ett blockschema för en ﬂödesbegränsande delsystem.Figure 9 is a block diagram of a fate-limiting subsystem.

Figur 10A är en illustration av en ﬂödesbegränsacell med en lång rak kanal som vikas ihop med skarpa höm.Figure 10A is an illustration of a fate limit cell with a long straight channel folded with sharp corners.

Figur 10B är en illustration av en asymmetrisk ﬂödesbegränsarcell.Figure 10B is an illustration of an asymmetric fate limiter cell.

Figur 11A är en topp bild av en vanlig cirkulärt korrugerat membran.Figure 11A is a top view of a conventional circular corrugated membrane.

Figur 1 IB är en toppvy av ett korrugerat membran med fyra extra korrugeringar i planet.Figure 1 IB is a top view of a corrugated membrane with four additional corrugations in the plane.

Figur llC är en toppvy av ett korrugerat membran med tolv extra korrugeringar i planet.Figure 11C is a top view of a corrugated membrane with twelve additional corrugations in the plane.

Figur 12 är ett tvärsnitt genom en del av en ventil med en korrugerad membran, med en störande föroreningspartikel mellan tätningsytoma 6 TEKNISK BESKRIVNING Högtrycksbackventilen består av tre ventiler och två ﬁlter och ett ﬂödebegränsningsstruktur som arbetar i symbios i ett integrerat paket av staplade och sammanfogade (bondade) kiselskivor 8wafers). Vätskan, normalt en gas, men det kan också vara en vätska, förs in i systemet via inloppet (100) och lämnar systemet genom utloppsfilteret (106). Tanken (101) är en extem komponent och inte en del av systemet. Ett blockschema för systemet ges i ﬁgur 1. Ventil 1 (102) är en tryckstyrd normalt öppen högtrycksventil som stängs om trycket vid styrtryckets inlopp (109) är signiﬁkant högre än den ingående trycket i matningskanalen (108). Styrtrycket följer trycket i matningskanalen (110) men med en viss tidsfördröjning, som skapats av en ﬂödesstrypning (107) med extremt lågt ﬂöde. Eftersom den totala dödvolymen i kontrollen kanalen (109) är mycket liten måste ﬂödesstrypning vara mycket effektiv. Problemet med denna typ av ventil är att den är öppen tills sitt normalt öppna läge så snart som tryckskillnaden mellan matningskanalen (108) och styringången (109) blir tillräckligt liten, men ändå på en betydande nivå. Detta problem löses genom att införa en andra ventil ventil (102), vilken är en konventionell normalt stängd lågtrycksbackventil, När en fyllning är avslutad och trycket i den externa tanken (101) är högt (> 100 bar) eller mycket högt (> 500 bar) avslutas fyllningen, vilket innebär att det höga trycket vid inloppet (100) tas bort eller minskas snabbt, detta leder till att ventil 2 (103) är stänger nästan direkt och ventil 3 (104) öppnas (ventil 3 är ett konventionell normalt stängd backventil för mellan höga tryck) när tryckskillnaden mellan matningskanal (108) och matningskanal ( 110) når ettmedelhögt tryck, 40-50 bar. Ventil 3 (104) har den viktiga funktionen att dränera matningskanal (108) från den instängda mängden gas under högt tryck, ett tryck som kan vara en skadlig nivå för lågtrycks backventilen (103), när fyllningen förfarandet är avslutat och fyllningen trycket sjunker snabbt till noll. Det skall noteras att ventilen 3 (104) måste stängas innan trycket i tanken sjunker under den nivå under vilken den tryckstyrda ventilen, ventil 1 (102) öppnas automatiskt, på grund av en alltför liten tryckdifferens över densamma .Figure 12 is a cross-section through a portion of a valve with a corrugated diaphragm, with an interfering contaminant particle between the sealing surfaces. 6 TECHNICAL DESCRIPTION ) silicon wafers 8wafers). The liquid, normally a gas, but it can also be a liquid, is introduced into the system via the inlet (100) and leaves the system through the outlet filter (106). The tank (101) is an extreme component and not part of the system. A block diagram of the system is given in Figure 1. Valve 1 (102) is a pressure-controlled normally open high-pressure valve that closes if the pressure at the control pressure inlet (109) is significantly higher than the input pressure in the supply channel (108). The control pressure follows the pressure in the supply channel (110) but with a certain time delay, which is created by a ﬂ fate (107) with extremely low ﬂ fate. Since the total dead volume in the control channel (109) is very small, ﬂ fate must be very effective. The problem with this type of valve is that it is open until its normally open position as soon as the pressure difference between the supply channel (108) and the control inlet (109) becomes sufficiently small, but still at a significant level. This problem is solved by inserting a second valve valve (102), which is a conventional normally closed low pressure non-return valve, When a filling is completed and the pressure in the external tank (101) is high (> 100 bar) or very high (> 500 bar ) the filling is terminated, which means that the high pressure at the inlet (100) is removed or reduced rapidly, this leads to valve 2 (103) being closed almost immediately and valve 3 (104) being opened (valve 3 is a conventional normally closed non-return valve for between high pressures) when the pressure difference between supply duct (108) and supply duct (110) reaches a medium-high pressure, 40-50 bar. Valve 3 (104) has the important function of draining the supply duct (108) from the trapped amount of gas under high pressure, a pressure which can be a detrimental level for the low pressure check valve (103), when the filling process is completed and the filling pressure drops rapidly to zero. It should be noted that valve 3 (104) must be closed before the pressure in the tank drops below the level below which the pressure controlled valve, valve 1 (102) opens automatically, due to too small a pressure difference across it.

Två filter används i systemet, en inloppsﬁlter (105) och ett utloppsfilter (106). Syftet för filtren är inte bara att skydda det partikel känsliga mikrosystemet från föroreningar, men också att fungera som grova ﬂödesstrypningar för att skydda systemet från tryckstötar när den kopplas till eller tas bort från tankningsstationen. Inloppsﬁltret (105) skyddar främst ventillocket i lågtrycksventilen (103) från destruktiva trycktransienter, när fyllning påbörjas eller avslutas. En större trycktransient kan resultera i att ventillocket slår en hårt mot bulkstrukturen när ventilen går från stängd till fullt öppen, även om en integrerad progressiv gasdämpare används. lnloppsfiltret skyddar också högtrycksventilen till viss del genom att begränsa fyllnadshastigheten vilket ger styrtrycket (109) en chans att följa trycket i matningskanal (1 1 1) utan för mycket tidsfördröjning. Utloppet filter (106) måste ha en mycket högre ﬂödeskapacitet järnfört med inloppsﬁlter att se till att trycket i alla matningskanaler följer trycket i tanken med så liten eftersläpning som möjligt för att undvika att spränga isär wafer stapeln. Filtret (106) skall också bistå högtrycksventilen i stängandet genom att tillåta ett tryckfall i matningskanal (111) byggs upp trots återﬂödet från tanken (108) när fyllningstrycket reduceras snabbt. Tryckfallet i kanalen (1 1 1) kommer också att bistå med att starta stängningen av ventil 1 (102) .. De intema tryckrelationerna under fyllning eller trycksänkning visas i figur 2A-D. Diagramrnet splittas i fyra delar, 2A ger tryckrelationerna i startfasen av fyllningsproceduren, 2B illustrerar relationema när högsta tillåtna fyllningstryck nås därrnellan är relationema är mer eller mindre konstanta.Two filters are used in the system, an inlet filter (105) and an outlet filter (106). The purpose of the filters is not only to protect the particle sensitive microsystem from contamination, but also to act as coarse ﬂ fatalities to protect the system from pressure surges when connected or removed from the refueling station. The inlet filter (105) primarily protects the valve cover in the low pressure valve (103) from destructive pressure transients, when filling begins or ends. A larger pressure transient can result in the valve cover hitting the bulk structure hard when the valve goes from closed to fully open, even if an integrated progressive gas damper is used. The inlet filter also protects the high-pressure valve to some extent by limiting the filling speed, which gives the control pressure (109) a chance to follow the pressure in the supply channel (1 1 1) without too much time delay. The outlet filter (106) must have a much higher discharge capacity ironed with inlet filter to ensure that the pressure in all supply channels follows the pressure in the tank with as little lag as possible to avoid bursting the wafer stack. The filter (106) should also assist the high pressure valve in closing by allowing a pressure drop in the supply channel (111) to build up despite the re-flow from the tank (108) when the filling pressure is rapidly reduced. The pressure drop in the duct (1 1 1) will also assist in starting the closing of valve 1 (102). The internal pressure relations during filling or pressure lowering are shown in Figures 2A-D. The diagram is divided into four parts, 2A gives the pressure relations in the initial phase of the filling procedure, 2B illustrates the relations when the maximum permissible filling pressure is reached between them, the relations are more or less constant.

Diagram 2C och 2D är liknande diagram när fyllningen är klar och fyllningen avbryts med en mer eller mindre snabb trycksänkning.Diagrams 2C and 2D are similar diagrams when the filling is complete and the filling is interrupted with a more or less rapid pressure drop.

Diagram 2Avisar tryck mot tiden relationema under uppstart av fyllnadsproceduren. När fyllningen står i begrepp att starta är systemet anslutet till en högtryckspump vid tiden tl (200).Diagram 2Displays pressure against the time relations during the start of the filling procedure. When the filling is about to start, the system is connected to a high-pressure pump at time tl (200).

Från ett start tryck Pl (201) ökas trycket vid backventilens ingång (100) med en konstant hastighet upp till högsta tillåtna fyllningstryck, graf (202), trycket i matningskanalen (1 10) kommer att byggas upp med en liten tidsfördröjning, graf (203). Alla kanaler inuti backventilen är vid samma tryck som den återstående trycket P2 (204) i tanken (101) tills det lågtrycks backventilen (103) öppnar, vilket sker vid tiden t2 (205), när tryck P3 (206) i kanalen (110) passerar summan av trycket i tanken och öppningstrycket för ventilen (103) P4 (208). När ventilen öppnar kommer det att finnas en liten tryckfall (207) över ingångsﬁltret (105) eftersom den har ett visst ﬂödes motstånd, så kommer trycket i kanalen (110) följa grafen (203) och trycket nedströms ventilen i kanal (108) följer graf (209) vilket är grafen (203) minus P4 (208). Trycket i matningskanalen (111) graf (210) kommer att följa grafen (209) med en liten fördröjning på grtmd av strömningsmotstånd i ventil (102). Både trycket i tanken (101) och kontroll trycket (109) följer graf (21 0) med en ytterligare fördröjning de illustreras som diagram (211) tillsammans vilket är mer försenad än de andra beror på vilken kvot som är störst, strömningsmotstånd genom filter (106) jämfört med tank volymen eller ﬂödesmotståndet genom ﬂödesbegränsaren (107) och den totala volymen i de kanaler för kontroll trycket ( 109).From a start pressure P1 (201) the pressure at the inlet valve inlet (100) is increased at a constant speed up to the maximum permissible filling pressure, graph (202), the pressure in the supply channel (11) will build up with a small time delay, graph (203) ). All channels inside the non-return valve are at the same pressure as the remaining pressure P2 (204) in the tank (101) until the low-pressure non-return valve (103) opens, which occurs at time t2 (205), when pressure P3 (206) in the duct (110) passes the sum of the pressure in the tank and the opening pressure of the valve (103) P4 (208). When the valve opens, there will be a small pressure drop (207) over the input filter (105) because it has a certain resistance, then the pressure in the channel (110) will follow the graph (203) and the pressure downstream of the valve in channel (108) will follow the graph. (209) which is the graph (203) minus P4 (208). The pressure in the supply channel (111) graph (210) will follow the graph (209) with a slight delay in the flow of resistance in the valve (102). Both the pressure in the tank (101) and the control pressure (109) follow graph (21 0) with a further delay they are illustrated as diagram (211) together which is more delayed than the others due to which ratio is largest, flow resistance through filter ( 106) compared to the tank volume or ﬂ resistance through the ﬂ limit limiter (107) and the total volume of the control pressure channels (109).

När fyllningenstrycket ökas kontinuerligt kommer det inre trycket i tanken att vara ungefär densamma med en viss fördröjning tills maximalt tryck uppnåtts. I diagram 2B har tryckeökningen stoppats liksom gasﬂödet genom systemet. Vid t3 (212) har inloppstrycket nått sin högsta nivå på P5 (213). När trycket nedströms ventilen (103) kommer nära P5 börjar ventilen stängas och alla tryck kommer att konvergera mot en nivå P6 (214) P6 är P5 minus P4.When the filling pressure is continuously increased, the internal pressure in the tank will be approximately the same with a certain delay until maximum pressure is reached. In diagram 2B, the pressure increase has been stopped as well as the gas flow through the system. At t3 (212) the inlet pressure has reached its highest level of P5 (213). When the pressure downstream of the valve (103) comes close to P5, the valve starts to close and all pressures will converge towards a level P6 (214) P6 is P5 minus P4.

I diagrammet 2C (början av trycksänkningen av ingångstrycket) och diagrammet 2D (slutet av tryckreduktionen) illustreras de interna tryckrelationerna. Efter en paus med fullt tryck P5 (213) skall fyllningskj edjan vara trycklös och bortkopplad. Eftersom systemet behandlar tryck upp till 1000 bar eller mer kan kjedjan inte bara kopplas bort, den måste vara ventileras ner till en säker låg nivå. Vid en viss tidpunkt t4 (215) börjar fyllningstrycket falla med en mer eller mindre konstant fart mot omgivningens tryck. Trycket i tanken och matningskanalema (108) och (11 1) är fortfarande i högsta tanktrycket P6 (214). När fyllningstryck har sjunkit till P7 (216) vid den tidpunkt T5 ((217) öppnas medeltrycksventilen(l 04) vilket leder till att trycket i matningskanal (108) också börjar falla graf (209), trycket i matningskanal (111) börjar också falla, graf (210), men inte med samma hastighet som det ﬁnns ett visst ﬂöde motstånd i halvslutna högtrycksventilen (102) och ett återﬂöde från tanken genom utloppsﬁlteret (106 ).Diagram 2C (beginning of the pressure drop of the inlet pressure) and diagram 2D (end of the pressure reduction) illustrate the internal pressure relations. After a break with full pressure P5 (213), the filling chain must be depressurised and disconnected. Because the system handles pressures up to 1000 bar or more, the chain can not only be disconnected, it must be vented down to a safe low level. At a certain time t4 (215) the filling pressure begins to fall at a more or less constant speed against the ambient pressure. The pressure in the tank and the supply channels (108) and (11 1) are still at the highest tank pressure P6 (214). When the filling pressure has dropped to P7 (216) at the time T5 ((217), the mean pressure valve (104) opens, which leads to the pressure in the supply channel (108) also starting to fall graph (209), the pressure in the supply channel (111) also starting to fall , graph (210), but not at the same speed as there is a certain desolation resistance in the semi-closed high pressure valve (102) and a desalination from the tank through the outlet filter (106).

F yllningstrycket fortsätter att sjunka och när den når P9 (217) vid tiden t6 (219) är den högtrycksventilen (102) helt stängd och trycket i matningskanal (111) återgår till tanktrycket, som hela tiden har varit mer eller mindre konstant, graf (211), det har naturligtvis varit ett mycket litet tryckfall på grund av återﬂödet, men det är försumbart i sammanhanget. I figur 2D returnerar fyllningstryck (202) till ambient vid T7 (220) när trycket skillnaden mellan fyllnadstryck och trycket i matningskanal (108) graf (209) blir tillräckligt liten kommer på medeltryck backventilen att börja stänga, att vara helt stängd vid P10 (221 ) Den mikromekaniska förverkligandet av system presenteras i det följande. Konstruktionen kräver en stapel (stack) med fyra bondade brickor (wafers), dessa kommer sannolikt att monokristallin kisel men även andra mikromekaniskt bearbetningsbara material i ”wafers” eller tunna skivor kan användas. De loika delarna i systemet skapas i en eller ﬂera brickor och/eller på ytoma mellan brickoma, systemet illustreras i figur 3. Figuren är ett så kallad utvikt tvärsnitt genom en wafer stack, det ser ut som om alla komponenter eller delsystem är belägna i en rak linje. Så är inte fallet i praktiken, då alla komponenter är mer eller mindre sammanﬂätade i ett komplext 3-D mönster. Figuren används för att ge en klar förståelse om vari ”stacken” de olika komponenterna är placerade och hur de är sammankopplade.The filling pressure continues to drop and when it reaches P9 (217) at time t6 (219) the high pressure valve (102) is completely closed and the pressure in the supply channel (111) returns to the tank pressure, which has always been more or less constant, graph ( 211), there has of course been a very small drop in pressure due to the re-fate, but it is negligible in this context. In Figure 2D, the filling pressure (202) returns to the ambient at T7 (220) when the pressure difference between the filling pressure and the pressure in the supply duct (108) graph (209) becomes small enough, at medium pressure the non-return valve will start to close, to be completely closed at P10 (221 ) The micromechanical implementation of systems is presented below. The construction requires a stack with four bonded wafers, these will probably be monocrystalline silicon but also other micromechanically machinable materials in "wafers" or thin disks can be used. The loyal parts of the system are created in one or more tiles and / or on the surfaces between the tiles, the system is illustrated in figure 3. The figure is a so-called folded cross section through a wafer stack, it looks as if all components or subsystems are located in a straight line. This is not the case in practice, as all components are more or less joined in a complex 3-D pattern. The figure is used to give a clear understanding of where the “stack” of the various components is located and how they are connected.

Systemet består av fyra brickor (3 00-3 03) staplade och bondade ihop ovanpå varandra. Olika bondningsmetoder måste sannolikt att användas i olika fogar beroende på process-steg som används för att tillverka de inblandade brickorna. Några bondningsmetoder är direkt fusion limning, låg temperatur bondning, tunn film lödning, självhäftande filmer etc.The system consists of four washers (300-33) stacked and bonded on top of each other. Different bonding methods are likely to be used in different joints depending on the process steps used to make the washers involved. Some bonding methods are direct fusion bonding, low temperature bonding, thin film soldering, self-adhesive films, etc.

Figur 3 visar var i waferstacken de olika delsystemen är lokaliserade.Ingångsanslutninen (100) motsvaras av en kanal (304) i gränsytoma mellan wafer 1 (300) och wafer 2 (301) Inloppsﬁltrets (105) struktur ligger inom området (306) och består av ett antal smala mikro maskinbearbetade spår på båda wafer ytorna spåren samverkar med varandra på ett sådant sätt att alla typer av fasta partiklar, över en viss storlek, som är i gasströmmen fastnar i de korsande spåren i ﬁltret. Den maximala partikelstorleken som kan passera ﬁltret är från några mikrometer ner till sub mikrometer eller nanometer. Två bra fördelar med micromaskinbearbetade ﬁltret är dels att det är mycket robust dels att det är en integrerad del av basstrukturen och garanterat partikelfri i sig, dvs det kommer inte att generera några partiklar nedströms, som kommer från själva ﬁlterstrukturen, vilket kan vara fallet för de ﬂesta konventionella ﬁlter med ﬁbrer eller sintrade partiklar som filterelement.Figure 3 shows where in the wafer stack the different subsystems are located. The input connection (100) corresponds to a channel (304) in the interfaces between wafer 1 (300) and wafer 2 (301). The structure of the inlet filter (105) is within the area (306) and consists of a number of narrow micro machined grooves on both wafer surfaces the grooves interact with each other in such a way that all types of solid particles, over a certain size, which are in the gas stream get stuck in the intersecting grooves in the filter. The maximum particle size that can pass the filter is from a few micrometers down to sub micrometers or nanometers. Two good advantages of the micromachined filter are that it is very robust and that it is an integral part of the base structure and guaranteed particle-free in itself, ie it will not generate any particles downstream, which come from the filter structure itself, which may be the case for the These are conventional filters with fibers or sintered particles as filter elements.

Från ingångsﬁlterstrukturen leds gasen genom ett rör (110) som motsvaras av kanalen (307) till ingångssidan av det lågtrycks backventilen (103) lokaliserad inom (309) och till utgångssidan av mellantrycks backventilen (104) lokaliserad inom (310).From the inlet filter structure, the gas is passed through a pipe (110) corresponding to the channel (307) to the inlet side of the low pressure check valve (103) located within (309) and to the outlet side of the intermediate pressure check valve (104) located within (310).

De två anti-parallella backventiler har liknande 3-D strukturer huvudsakligen i wafer 2 (301) och wafer 3 (3 02), är en typisk design presenteras senare. En nytt rör (108) i form av kanal (308) sammanbinder utgångssidan av ventil (103) med ingångssidan av ventil (104) och leder vidare till inloppet till normalt öppna högtrycksventilen (102) belägen inom område (311), den är en lite annorlunda ventil i wafer 2 (301) och wafer 3 (302). Gasen passerar rakt genom den normalt öppna ventilen (102) till rör (11 l) som motsvaras av kanal (312) kanalen distribuerar gasen till två strukturer, en utloppsﬁlterstruktur (106) liknande (105) belägen inom området (313)mellan wafer 1 (300) och wafer 2 (301) och och till en ny struktur mellan wafer 2 (301) och wafer3 (302) belägen inom (314) Denna nya strukturen är en ﬂödesbegränsare (107)som endast tillåter extremt små mängder gas att passera per tidsenhet. Syftet för ﬂödesbegränsaren är att det ska vara en betydande tidsfórdröjning innan trycket byggs upp i rör (109) motsvarandes av kanal (3 l5)till samma tryck som i kanal (312). Från utlopps ﬁltret (106) lärrmar gasen systemet via en kanal (3 05) som leder till den extema tanken.The two anti-parallel check valves have similar 3-D structures mainly in wafer 2 (301) and wafer 3 (302), a typical design is presented later. A new pipe (108) in the form of a channel (308) connects the outlet side of the valve (103) to the inlet side of the valve (104) and leads on to the inlet of the normally open high pressure valve (102) located within area (311), it is a little different valve in wafer 2 (301) and wafer 3 (302). The gas passes straight through the normally open valve (102) to pipes (11 l) corresponding to duct (312) the duct distributes the gas into two structures, an outlet filter structure (106) similar (105) located within the area (313) between wafer 1 ( 300) and wafer 2 (301) and and to a new structure between wafer 2 (301) and wafer3 (302) located within (314) This new structure is a fate limiter (107) which allows only extremely small amounts of gas to pass per unit time . The purpose of the fate limiter is that there should be a significant time delay before the pressure builds up in pipes (109) corresponding to duct (3 l5) to the same pressure as in duct (312). From the outlet filter (106), the gas drains the system via a channel (305) leading to the external tank.

Figur 4 är ett design exempel för den normalt öppna högtrycksventilen (102). Den exakta ventil designen är inte viktigt för systemet, men exemplet fimgerar som en illustration av hur en ventil, som uppfyller systemkraven för ventil typen kan tillverkas. Gasen går in genom kanal (400) till en volym (408) ovan ett ﬂexibelt membran (402), passerar en ventilsätet (407) till en utgångskanal (406). Volymen (404) under det ﬂexibla membranet är trycksatt via en kanal (403) kanalen benämns styrtrycks inloppet. När styrtrycket överskrider gastrycket i volym (408)så buktas membranet uppåt och minskar gapet mellan ventillocket(405) och ventilsätet (407).Figure 4 is a design example of the normally open high pressure valve (102). The exact valve design is not important for the system, but the example serves as an illustration of how a valve that meets the system requirements for the valve type can be manufactured. The gas enters through duct (400) to a volume (408) above an executable diaphragm (402), passes a valve seat (407) to an outlet duct (406). The volume (404) below the visible membrane is pressurized via a channel (403) the channel is called the control pressure inlet. When the control pressure exceeds the gas pressure in volume (408), the diaphragm bends upwards and reduces the gap between the valve cover (405) and the valve seat (407).

Ventilsätet (407) har en lämplig ytbeläggning som ger både en bra tätning och förebygger att ventillocket fastnar på sätet om anliggningstrycket är högt. Eftersom kravet på lägsta tryck skillnad mellan volymen på framsidan (408) och volymen på baksidan (404) kan vara relativt högt 30-40 bar för att stänga ventilen helt, kan membranet (402) göras tillräckligt styvt för att motstå maximal tryckskillnad. Membranet kan antingen vara plant eller korrugerat, som det illustreras i figuren. Ett korrugerat membran har den fördelen att den yttre diameteren kan vara betydligt mindre jämfört med en plant membran, det spar utrymme i mikrosystemet och ökar trycktåligheten. Under påfyllningen när gasen ﬂödar genom ventilen blir det ett högre tryck i volymen (408) jämfört med styrtrycket i volym (404) vilket resulterar i att membranet kommer att buktas ned något, vilket ökar det normalt lilla avståndet mellan ventillocket(405) och ventilsätet (407). Detta i sin tur har en mycket positiv inverkan på ventilens prestanda eftersom den sänker ﬂödesmotståndet i ﬂödesriktningen. Samma lavin effekt uppnås när ventilen stängs, när membranet börjar röra sig mot ventilsätet ökar bakﬂödesmotståndet vilket resulterar i en ökning av differenstrycket som ﬂyttar membranet ytterligare upp mot ventilsätet.The valve seat (407) has a suitable surface coating which provides both a good seal and prevents the valve cover from sticking to the seat if the contact pressure is high. Since the requirement for minimum pressure difference between the volume on the front (408) and the volume on the back (404) can be relatively high 30-40 bar to close the valve completely, the diaphragm (402) can be made sufficiently rigid to withstand maximum pressure difference. The membrane can be either flat or corrugated, as illustrated in the figure. A corrugated membrane has the advantage that the outer diameter can be significantly smaller compared to a flat membrane, it saves space in the microsystem and increases the pressure resistance. During filling as the gas ﬂ flows through the valve, there is a higher pressure in the volume (408) compared to the control pressure in volume (404) which results in the diaphragm bulging slightly, which increases the normally small distance between the valve cover (405) and the valve seat ( 407). This in turn has a very positive effect on the performance of the valve because it lowers the ﬂ resistance resistance in the rikt direction of fate. The same avalanche effect is achieved when the valve closes, when the diaphragm begins to move towards the valve seat increases behind the fate resistance which results in an increase in the differential pressure which ﬂ moves the diaphragm further up towards the valve seat.

En intressant men outforskad method för att Förbättra prestanda hos det korrugerade membranet är att göra en mer avancerad geometri av korrugeringarna som ger en ytterligare grad av frihet i utbuktningen. I normalfallet består korrugeringarna av ett antal cirkulära koncentriska spår på båda sidor av membranet. Om varje spår i membranet har en överlagrad vågmönster med ett visst antal svängningar runt medeldiametern på respektive spår kan membranet ﬂexibilitet ökas, liksom tryckmotståndet för en viss tjocklek av membranet. Det är samma fenomen som för ett tryckkärl där en sfårisk tank per deﬁnition har dubbla tryckmotståndet jämfört med en cylinder med samma väggtj ocklek, dubbel krökt yta jämfört med en enkel krökt yta. Både vanligt cirkulärt korrugerat membran visas i figur 11A och membran med "dubbla" korrugeringar visas i figur 1 IB och llC.An interesting but unexplored method for improving the performance of the corrugated membrane is to make a more advanced geometry of the corrugations that provides an additional degree of freedom in the bulge. Normally, the corrugations consist of a number of circular concentric grooves on both sides of the membrane. If each groove in the diaphragm has a superimposed wave pattern with a certain number of oscillations around the mean diameter of the respective groove, the diaphragm ibil visibility can be increased, as can the pressure resistance for a certain thickness of the diaphragm. It is the same phenomenon as for a pressure vessel where a spherical tank per de ﬁ nition has double the pressure resistance compared to a cylinder with the same wall thickness, double curved surface compared to a single curved surface. Both ordinary circular corrugated membrane are shown in Figure 11A and membranes with "double" corrugations are shown in Figure 11B and 11C.

En annan ventil förbättring för högtrycksventilen är avbildad i figur 12, är tanken att använda en del av den inre delen av det korrugerade membranet som en del av ventillocket. Den övre wafem (1200) innehåller en centralt utloppshål (1202) runt symmetriaxeln (1203). Antiklibb- beläggningen (1204) omfattar inte bara den centrala delen kring utloppshålet men större delen av ytan som är riktad den korrugerade membranet. Ventilens beläggning på locksidan (1205) är fördelad inte bara över locket men även över membranet i form av koncentriska cirklar eller slutna mönster, en på toppen av varje korrugeringen. Två fördelar erhålles, för det första kommer membranet att vara mer resistent mot övertryck från baksidan eftersom det gradvis kommer att stödjas av det distribuerade ventillocket och för det andra kommer förmodligen läckaget att minska. Om en föroreningspartikel kommer in i ventilenﬁnns det en större chans att ventilen förblir läcktåt eftersom partileln (1207) kan tyckas ner i ”diket” mella två tätningsytor. Även om den ligger kvar på toppen av en korrugeringen (1206) kommer den inte att lyfta ett mycket stort område runt sig eftersom den veckade membranet är mer ﬂexibelt än en plant styvare membran, detta är särskilt sant för det dubbel korrugerade membranet.Another valve improvement for the high pressure valve is depicted in Figure 12, the idea being to use a portion of the inner portion of the corrugated diaphragm as part of the valve cover. The upper wafer (1200) contains a central outlet hole (1202) around the axis of symmetry (1203). The anti-stick coating (1204) comprises not only the central part around the outlet hole but the greater part of the surface which is directed towards the corrugated membrane. The valve coating on the lid side (1205) is distributed not only over the lid but also over the diaphragm in the form of concentric circles or closed patterns, one on top of each corrugation. Two advantages are obtained, firstly, the diaphragm will be more resistant to back pressure from the back because it will gradually be supported by the distributed valve cover and secondly, the leakage will probably be reduced. If a contaminant particle enters the valve, there is a greater chance that the valve will remain leaky as the particle (1207) may appear in the “ditch” between two sealing surfaces. Even if it remains on top of a corrugation (1206) it will not lift a very large area around it because the pleated membrane is more flexible than a flat stiffer membrane, this is especially true for the double corrugated membrane.

En typisk lågtrycksbackventil är avbildad i genomskäming i figur 5. Medeltrycksbackventilen är nästan identisk med den lilla skillnaden att ventillocket är mindre och f] ädringen styvare.A typical low pressure non-return valve is depicted in cross-section in Figure 5. The medium pressure non-return valve is almost identical with the small difference that the valve cover is smaller and the suspension stiffer.

Ventilen är en 3-dimensionel struktur främst i wafer 2 (301) och wafer 3 (3 02), om en ventillocket skall ha en dämpningsstruktur kommer det sannolikt att bli en viss mikrobearbetning även i wafer 4 (303).The valve is a 3-dimensional structure mainly in wafer 2 (301) and wafer 3 (3 02), if a valve cover is to have a damping structure, there will probably be some microprocessing also in wafer 4 (303).

Gasen kommer in i ventilen genom en kanal (500) mellan wafer 1 och wafer 2. Trycket verkar på relativt stort område av ventillocket (502) d.v.s.hela den del som finns innanför ventilsätet (503).The gas enters the valve through a channel (500) between wafer 1 and wafer 2. The pressure acts on a relatively large area of the valve cover (502), i.e. the entire part inside the valve seat (503).

Ventillockets fjädjande upphängning består av ett antal balkar (504)som roteras runt ventilhuven eller remsor från ett delvis avlägsnat korrugerat membran. Balkarna eller remsorna ger gott om utrymme för gasen att passera med någon nämnvärt ﬂödesmotstånd. Den fjädrande upphängningen eller ventilsätet är tillverkas på ett sådant sätt att ventillocket (502) försiktigt pressas mot ventilsätet, vilket ger en nonnalt stängd ventil. När den kraft som genereras av trycket i hålrummet (507) överstiger fjäderkraften rör sig ventillockets nedåt och gasen kan passera ventilsätet och fjädringen och lämna ventilen via en kanal (501) Om en dämpningsstruktur ska användas kan gapet (506) mellan ventillocket och wafer 4 (3 03) vara helt eller delvis ersättas med dämpningsstrukturen.The resilient suspension of the valve cover consists of a number of beams (504) which are rotated around the valve hood or strips from a partially removed corrugated diaphragm. The beams or strips provide plenty of room for the gas to pass with some appreciable des resistance. The resilient suspension or valve seat is manufactured in such a way that the valve cover (502) is gently pressed against the valve seat, which results in a normally closed valve. When the force generated by the pressure in the cavity (507) exceeds the spring force, the valve cover moves downwards and the gas can pass the valve seat and the suspension and leave the valve via a channel (501). If a damping structure is to be used, the gap (506) between the valve cover and wafer 4 ( 3 03) be wholly or partly replaced by the damping structure.

En typisk dämpningensstrukturen består eller ett antal spår (505) i wafer 4 (303) och en motsvarande mönster av åsar (508) på undersidan av ventillocket. Djupet på spåren bestämmer Ventilens maximala slaglängd. Funktionen är följande, när ventillocket förﬂyttas nedåt går åsama går ner i motsvarande spår. Om det är ett litet spel mellan de strukturer som går i varandra så kommer det att finnas en visst motstånd för att pressa ut instängda gasen. Den dämpande effekten ökar snabbt med inträngningsdjupt. Den dämpande effekten kan vara mycket progressiv om ﬂödesstagnation uppstår i det minsta spelet mellan åsar och motsvarande spår.A typical damping structure consists of either a number of grooves (505) in wafer 4 (303) and a corresponding pattern of ridges (508) on the underside of the valve cover. The depth of the grooves determines the maximum stroke of the Valve. The function is as follows, when the valve cover is moved downwards, the ridges go down in the corresponding groove. If there is a small play between the structures that go into each other, there will be some resistance to squeeze out the trapped gas. The damping effect increases rapidly with penetration depth. The damping effect can be very progressive if ﬂ fate stagnation occurs in the smallest play between ridges and corresponding tracks.

Det är möjligt att minska över alla systemdimensioner, utan att offera ﬂödesprestanda, genom att integrera mellantrycks ventilen in i ventillocket på lågtrycks backventilen (5 02) och den outnyttj ade volymen ovanför (507). Ett vanligt problem med mikromekaniska ventiler är att ha en absolut tät ventil som inte drabbas av att klibba ihop eller andra effekter på grund av bondnings processerna eftersom täthetskravet kräver en visst anläggningstryck av ventillocket mot sätet. Ett sätt att kringgå problemet är avbildad i figur 7, vilket förklaras längre ner i texten.It is possible to reduce over all system dimensions, without sacrificing ﬂ fate performance, by integrating the intermediate pressure valve into the valve cover of the low pressure non-return valve (5 02) and the unused volume above (507). A common problem with micromechanical valves is to have an absolutely tight valve that does not suffer from sticking together or other effects due to the bonding processes because the tightness requirement requires a certain application pressure of the valve cover against the seat. A way to circumvent the problem is depicted in Figure 7, which is explained further down in the text.

En dubbel ventil avbildas i ﬁgur 6. När vätskan kommer in i systemet på samma kanal (500) som i ﬁgur 5 gastrycket verkar på hela den del av lågtrycksventilens lock (502) som är innanför ventilsätet (503), även om infästningsringen (603 ), den fjädringen (606) och medelhögtrycks ventillocket (605) sitter på lågtrycks ventillocket erhålles samma känslighet som för enskilda ventil designen i figur 5. Den enda skillnaden är att kanske svarstiden ökar något på grund av den ökande massan av ytterligare ventil strukturer i det tomma utrymmet (507) .A double valve is depicted in Figure 6. When the liquid enters the system on the same duct (500) as in Figure 5, the gas pressure acts on the entire part of the low pressure valve cover (502) which is inside the valve seat (503), even if the mounting ring (603) , the suspension (606) and medium pressure valve cover (605) are located on the low pressure valve cover, the same sensitivity is obtained as for individual valve designs in Figure 5. The only difference is that perhaps the response time increases slightly due to the increasing mass of additional valve structures in the void space (507).

När gasen kommer in i systemet i den forna utloppskanalen (501) är det lågtrycks backventilen stängd, ventillocket (502) pressas mot ventilsätet (503). Ju högre inloppstrycket är desto högre är tätnings kraften mot ventilsätet. Samma tryck verkar på medellång tryck ventilhuven (605) inne i ventilsätet (607) genom en medelstort hål (604) i ventillocket (502). Ventillocket (605) har en förspänning för att inte läcka. När kraften som genereras av gastrycket överstiger förspärmingen från fjädringen (606) öppnar ventilen. Men eftersom öppningstrycket är signiﬁkant högre, minst en faktor 10 jämfört med lågtrycksventilen är det gott om plats att integrera medeltryck ventilen.When the gas enters the system in the former outlet duct (501), the low-pressure non-return valve is closed, the valve cover (502) is pressed against the valve seat (503). The higher the inlet pressure, the higher the sealing force against the valve seat. The same pressure acts on the medium pressure valve cover (605) inside the valve seat (607) through a medium-sized hole (604) in the valve cover (502). The valve cover (605) has a bias voltage to prevent leakage. When the force generated by the gas pressure exceeds the bias from the suspension (606), the valve opens. However, since the opening pressure is significantly higher, at least one factor 10 compared to the low pressure valve, there is plenty of room to integrate the medium pressure valve.

Hela medeltrycks ventilen etsas ut från wafer 2 (301) och infästningsringen (603) är förbunden med ventillocket (502) i interface ytan (609) med hjälp av tunnﬁlms lödning eller någon annan lämplig metod limning före frigörandet av fjäderupphängningen. Även dämpande strukturer för båda ventilema kan integreras i systemet på liknande sätt som för enskild ventil. Det lågtrycks ventilens dämpare är mellan ventillocket (502) och wafer 4 (3 03) och medelhögtrycks ventilens dämpare är mellan ventillocket (505) och wafer 1 (300). Den streckade områdena (608) och (610) är reserverade för respektive strukturer.The entire medium pressure valve is etched out of wafer 2 (301) and the mounting ring (603) is connected to the valve cover (502) in the interface surface (609) by means of thin ﬁ elm soldering or some other suitable method of gluing before releasing the spring suspension. Damping structures for both valves can also be integrated in the system in a similar way as for individual valves. The low pressure valve damper is between the valve cover (502) and wafer 4 (303) and the medium pressure valve damper is between the valve cover (505) and wafer 1 (300). The dashed areas (608) and (610) are reserved for the respective structures.

Figur 7A är ett tvärsnitt genom en stapel med två Wafers efter bondning, men innan frigörandet av fixeringsbryggoma (71 1).Figure 7A is a cross-section through a stack of two Wafers after bonding, but before the release of the fixing bridges (71 1).

Designen är en konventionell backventil skapad genom bondning av två wafers, wafer 1 (700) och wafer 2 (701). Wafer 1 innehåller ett ventilsäte (707) mot vilket ett ventillock (703) i wafer 2 vilar.Ventilen är cirkulärt symmetrisk runt en symmetriaxel (702) vinkelrät mot skivstapeln.The design is a conventional non-return valve created by bonding two wafers, wafer 1 (700) and wafer 2 (701). Wafer 1 contains a valve seat (707) against which a valve cover (703) in wafer 2 rests. The valve is circularly symmetrical about an axis of symmetry (702) perpendicular to the disk stack.

Ventillocket (703) är fjäderupphängt med ett antal fjädrar (704) mellan ventillocket och bulkmaterialet i wafer 2 (701). På framsidan av ventillocket men på en mindre diameter än ventilsätet är en ringformad struktur (710), låsringen, fäst mot ventillocket vid (709) och eftersom denna struktur har full wafer tjocklek det kommer att knuffa ner ventillocket (703) en liten sträcka (706) eftersom limförbindelsen mellan wafer 1 och wafer 2 är nerfälld på samma avstånd i Waferl och på att ringen (710) är ordentligt fäst på bulkkiselet i samma wafer genom ett antal fasta, stela ﬁxeringsbryggor (711).The valve cover (703) is spring-suspended with a number of springs (704) between the valve cover and the bulk material in wafer 2 (701). On the front of the valve cover but at a smaller diameter than the valve seat is an annular structure (710), the locking ring, attached to the valve cover at (709) and since this structure has full wafer thickness it will push down the valve cover (703) a short distance (706 ) because the adhesive connection between wafer 1 and wafer 2 is laid down at the same distance in Waferl and that the ring (710) is firmly attached to the bulk silicon in the same wafer through a number of fixed, rigid eringsxation bridges (711).

Ventilsätet (707) är också nerfälld i wafer 1, men inte lika mycket som limförbindelsen (708).The valve seat (707) is also lowered into wafer 1, but not as much as the adhesive connection (708).

Ventilsätets fördjupningen skapar ett gap (skillnaden mellan (706) och (705)) mellan de två tätningsytoma i ventilen, vilket skyddar dem under värmebehandlingen vid bondningen som annars skulle kunna resultera i en klibbningseffekt och/ eller i värsta fall, från förstörelse av tätningsytoma. Broarna (711) har avlägsnats i Figur 7b genom etsning med en lämplig metod.The recess of the valve seat creates a gap (the difference between (706) and (705)) between the two sealing surfaces in the valve, which protects them during the heat treatment during bonding which could otherwise result in a sticking effect and / or in the worst case, from destruction of the sealing surfaces. The bridges (711) have been removed in Figure 7b by etching by a suitable method.

När de tas bort (713)ﬂyttar ventillocket (703) sig tillbaka till ett läge där gapet (714) är stängs, vilket resulterar i en tätning mellan ventillocket (703) och ventilsätet (707). Skillnaden mellan bond nedsänkningen (706) och ventilsätes nedsänkningen (705) resulterar i en kvarvarande fjäder förspärming av ventillocket, vilket leder till ett förutbestämt öppningstryck hos ventilen. It skall observeras att strukturer sticker ut ur planet på båda sidor av wafer stapeln efter bearbetning.When removed (713) ﬂ, the valve cover (703) extends back to a position where the gap (714) is closed, resulting in a seal between the valve cover (703) and the valve seat (707). The difference between the bond immersion (706) and the valve seat immersion (705) results in a residual spring bias of the valve cover, leading to a predetermined opening pressure of the valve. It should be noted that structures protrude from the plane on both sides of the wafer stack after processing.

Låsringen (710) kommer att höja sig avståndet (712) ovanför wafer 1 ovansida, avståndet är detsamma som gapet (705). Den ventillocket trycks ner en annan distans (715) under bottenyta på wafer 2, avståndet är lika med (706) - (705).The locking ring (710) will increase the distance (712) above the wafer 1 top, the distance is the same as the gap (705). That valve cover is pushed down another distance (715) below the bottom surface of wafer 2, the distance is equal to (706) - (705).

I figur 8A-C presenteras en liknande men något mer komplicerad tillverkningsprocess för de parallellekopplade rygg mot rygg ventilkonﬁgurationen som presenteras i ﬁgur 6. Tre ﬁgurer illustrerar tillverkningssekvensen och motsvarande krav på topograﬁn för brickoma. Topograﬁn för wafer 1 och wafer 2 som endivider före limningssteget ges i ﬁgur 8A. I ﬁgur 8B är brickorna sammanfogade, men fortfarande med ventillocken i låst läge genom ﬁxeringsbryggoma och slutligen i ﬁgur 8C har båda ventillocken frigjorts och systemet är klart för drift.Figures 8A-C present a similar but somewhat more complicated manufacturing process for the parallel-connected back-to-back valve configuration presented in Figure 6. Three diagrams illustrate the manufacturing sequence and corresponding requirements for the topography of the washers. The topography for wafer 1 and wafer 2 as individuals before the gluing step is given in Figure 8A. In Figure 8B, the washers are joined, but still with the valve cover in the locked position through the mounting bridges, and finally in Figure 8C, both valve covers have been released and the system is ready for operation.

Innan sammanfogandet av de två brickoma skall de ha de egenskaper och dimensioner, som visas i ﬁgur 8A. Wafer 1 (800) är förberedd på medeltrycks backventilen och wafer 2 (801) för lågtrycks backventilen. Lågtrycks ventillocket (802) är upphängt i svaga fjädrar (803) till wafer 2, armars är det röra sig fritt. Ventillocket (802) har en relativt stor hål i mitten (804) vilket är ingångshålet på medeltrycksbackventilen. Wafer 2 har två ringforrnade ytor (805) och (809) för lödning eller limning av fastringarna (811) och (818) som sitter på wafer 1, förutom den allmäna löd prepareringen av ytorna utanför ventilen. Bondningsytan (805) är nedsänkt till ett djup av ca 10-20 mikrometer (806) med en bredd (807) som är lite större än ringens bredd (813) för att ha lite styrning i sidled under lödningen när brickoma pressas samman. För att göra det enkelt att sätta wafer stapeln på en värmeplatta under lödningen är ventillocket (802) och dess fjädring (803) nedsänkt till ett djup av (808) mikrometer, (808) skall vara lite större än (814) minus (806).Prior to joining the two washers, they shall have the characteristics and dimensions shown in Figure 8A. Wafer 1 (800) is prepared for the medium pressure non-return valve and wafer 2 (801) for the low pressure non-return valve. The low pressure valve cover (802) is suspended in weak springs (803) to the wafer 2, the arms are free to move. The valve cover (802) has a relatively large hole in the middle (804) which is the inlet hole on the medium pressure check valve. Wafer 2 has two annular surfaces (805) and (809) for soldering or gluing the fasteners (811) and (818) located on wafer 1, in addition to the general solder preparation of the surfaces outside the valve. The bonding surface (805) is lowered to a depth of about 10-20 micrometers (806) with a width (807) that is slightly larger than the width of the ring (813) to have some lateral guidance during soldering when the washers are compressed. To make it easy to place the wafer stack on a hotplate during soldering, the valve cover (802) and its suspension (803) are immersed to a depth of (808) micrometers, (808) should be slightly larger than (814) minus (806) .

Wafer 2 innehåller Mediumtrycks backventilen (816) med en ventilsätes beläggningen (820) på den yttre diameter. Ventillocket (816) är fjädrande upphängd till ﬁxeringsringen (811) av ett antal ﬂexibla balkar (817), men i detta steg i processen är det låst mot fixeringen ringen (818) av ett antal stela broar (819). Ventillocket är nedsänkt en liten sträcka (821) under kontakt ytan på ringen (818) för att förhindra klibbning under bondningsprocessen. Ventilsätes ytan (810) för lågtrycks backventilen är också nedsänkt distansen (815) som är lite större än nedsänkningen (806) för fixering ringen (811) vilket också förhindrar tätningsytoma för att komma i kontakt under bondning. Bottenytan av waferl allmänt nedsänkt en distans (814) under kontaktytan (812) på fixeringen ringen (811), ringen är fixerad att Wafer 1 med ett antal stela bryggor (822).Wafer 2 contains the Medium Pressure non-return valve (816) with a valve seat cover (820) on the outer diameter. The valve cover (816) is resiliently suspended to the mounting ring (811) by a number of visible beams (817), but in this step of the process it is locked against the fixing ring (818) by a number of rigid bridges (819). The valve cover is immersed a short distance (821) below the contact surface of the ring (818) to prevent sticking during the bonding process. The valve seat surface (810) for the low pressure check valve is also recessed the distance (815) which is slightly larger than the recess (806) for the fixing ring (811) which also prevents the sealing surfaces from coming into contact during bonding. The bottom surface of the wafer is generally immersed a distance (814) below the contact surface (812) of the fixing ring (811), the ring being fixed to the wafer 1 by a number of rigid bridges (822).

I figur 8b är brickorna samrnanbundna, huvuddelen av kiselytan (823) och ﬁxeringsringarna (824) och (825) respektive. Låsningsbryggoma (822) trycker ner ventillocket (802) under bottenytan med ett avstånd (827), om ventillocket inte turmas ner som tidigare nämnt.In Figure 8b, the washers are bonded together, the main part of the silicon surface (823) and the mounting rings (824) and (825) respectively. The locking bridges (822) push the valve cover (802) below the bottom surface by a distance (827), if the valve cover is not lowered as previously mentioned.

F ixeringsbryggoma (819) är att lyfta upp på medeltrycks ventilens lock (816) ett visst avstånd (830), om detta orsakar en olägenhet kan naturligtvis även detta ventillock tunnas ner. Det är viktigt att alla nedsänkningsdjup är valda så att det finns ett minsta avstånd (828) mellan lågtrycksventilens lock och säte liksom att det ett likartat avstånd (829) på medeltryckventilen.The fixing bridges (819) are to lift up on the medium pressure valve cover (816) a certain distance (830), if this causes an inconvenience this valve cover can of course also be thinned. It is important that all immersion depths are selected so that there is a minimum distance (828) between the lid and seat of the low pressure valve as well as a similar distance (829) on the medium pressure valve.

I ﬁgur SC är all fixeringsbryggor borttagna genom torretsning från ovansidan av stapeln. När (822) tas bort stiger lågtryckets ventillocket tills ventilen stängs med med en liten restförspänning kvar i upphängningsfj ädrama (803) och när bryggorna (819) tas bort på medeltrycke ventillocket (816) skjunka ned och stänga ventilen, även här med någon fjäderförspänningen kvar i fjädringen (817). Beroende på om och hur mycket de nedtunnade strukturer har tunnats ner ut de kommer att stiga över bulkytoma (834), (835) och (836).In SC gur SC, all fixing bridges are removed by dry etching from the top of the stack. When (822) is removed, the low pressure valve cover rises until the valve closes with a small residual prestress left in the suspension springs (803) and when the bridges (819) are removed on medium pressure the valve cover (816) sinks down and closes the valve, also here with some spring bias left in the suspension (817). Depending on whether and how much the thinned structures have thinned out they will rise over the bulk surfaces (834), (835) and (836).

Flödesbegränsningsstrukturen tillåter endast ytterst små mängder gas att passera per tidsenhet.The flow restriction structure allows only extremely small amounts of gas to pass per unit time.

Syftet för detta är att det ska vara en betydande tidsfördröjning innan trycket i en volym, ansluten till utgången byggs upp till samma tryck som på ingångssidan. Från ett skyddande ﬁnﬁlter vid inloppet strömmar gasen in i systemet via en eller ﬂera mycket smala kanaler. Det kan diskuteras om ﬂödesbegränsaren bör vara en, inte så smal, men mycket lång kanal eller ﬂera mycket smala kanaler som kopplas parallellt för att ge samma ﬂödesmotstånd. Det förmodligen bästa sättet att förverkliga en mycket tillförlitlig ﬂöde begränsning för mycket små flöden är att ha en matris av ﬂödesbegränsande element. I figur 9 presenteras en 8x8 matris, som ett exempel, matrisen kan givetvis ha en godtycklig storlek med olika antal rader och koloner. Subsystemet har en väl deﬁnierad ingång (900) och utgång (901) med ett fint ﬁlter (902) och matrisen (903) emellan.The purpose of this is that there should be a significant time delay before the pressure in a volume connected to the outlet is built up to the same pressure as on the inlet side. From a protective nilter at the inlet, the gas flows into the system via one or more very narrow channels. It can be discussed whether the fate limiter should be a, not so narrow, but very long channel or your very narrow channels that are connected in parallel to give the same fate resistance. Probably the best way to realize a very reliable fate limit for very small flows is to have an array of fate limiting elements. Figure 9 presents an 8x8 matrix, as an example, the matrix can of course have any size with different numbers of rows and columns. The subsystem has a well-defined input (900) and output (901) with a fine filter (902) and the matrix (903) in between.

Alla celler (904) i matrisen är identiska, att ha ett stort antal parallella grenar ger fördelen att om en eller två grenar är pluggade på grund av en eller ﬂera föroreningspartiklar har kommit in så fungerar ﬂödesbegränsaren fortfarande, men med lite högre ﬂödesmotstånd, systemet blir feltolerant Nackdelen med det högre totala ﬂödet kompenseras genom att öka antalet ﬂödesbegränsningsceller i serie celler i varje gren. Eftersom ﬂödesbegränsaren elementen tillverkas med en ”step and repeat” process på lithograﬁska masken som används för att etsa ut dem från kiselytan har det totala antalet celler liten eller ingen effekt på tillverkningskostnaden.All cells (904) in the matrix are identical, having a large number of parallel branches gives the advantage that if one or two branches are plugged due to one or ﬂ your contaminant particles have entered, the ﬂ fate limiter still works, but with a slightly higher ﬂ fate resistance, the system becomes fault tolerant The disadvantage of the higher total fate is compensated by increasing the number of fate limiting cells in series of cells in each branch. Since the fate limiter elements are manufactured with a “step and repeat” process on the lithographic mask used to etch them from the silicon surface, the total number of cells has little or no effect on the manufacturing cost.

Cellema är mycket smala strukturer med en lämplig geometri för att ytterligare öka ﬂödet motståndet. I ﬁgur 10A är den enkelaste strukturen avbildade, en enda kanal (1002) löper från inloppet (1000) till utloppet (1001) den har ett antal skarpa böjar eller hörn (1003) att störa det laminära ﬂödet och därmed öka ﬂödesmotståndet. Kanalens bredd (1008) är i storleksordningen 1-2 mikrometer och minsta bredd på bondområdet mellan två delar av kanalen (1005) är 2-4 mikrometer. I vissa applikationer kan det vara attraktivt med en asymmetrisk ﬂödesbegränsare, d.v.s. en ﬂödesbegränsare med högre strömningsmotstånd i en riktning järnfört med de andra riktningen. I ﬁgur 10B sådan anordning illustrerad, i stället för en rak kanal med konstant bredd går gasﬂödet genom ett antal expansionskoner (1006). Konema är seriekopplade genom små öppningar (1007). Strömningsmotstånd för att pressa en expanderad gas genom ett litet hål med skarpa hörn är betydande större järnfört med låta gasen lämna det lilla hålet och expandera in i en ny konvergerande kon som komprimerar gasen till nästa pinnhål. Detta fenomen har använts i små ventillösa micro pumpar. I micro pumpar skapas gasﬂödet genom att ändra volymen i expansionenskonen med någon form av ställdon. När volymen höjs är gas sugs in konen genom öppningen i den lodräta väggen och när volymen sänks är den viktigaste delen av den komprimerade gasen lämnar volymen genom pinnhålet i slutet av konvergerande konen. Andra kanal geometrier eller ytor i ﬂödesbegränsarcellerna som ger ett riktningsberoende strömningsmotstånd kan också tänkas. En ännu mer effektiv ﬂödesbegränsningasymmetri kan uppnås genom att varje cell har en rörlig struktur som tenderar att blockera ﬂödet när gasen strömmar ar i en riktning och öppna upp ﬂödesvägen när gasen strömmar åt andra hållet.The cells are very narrow structures with a suitable geometry to further increase the ﬂ resistance. In Figure 10A, the simplest structure is depicted, a single channel (1002) running from the inlet (1000) to the outlet (1001) having a number of sharp bends or corners (1003) to interfere with the laminar fate and thereby increase the resistance. The width of the channel (1008) is in the order of 1-2 micrometers and the minimum width of the bond area between two parts of the channel (1005) is 2-4 micrometers. In some applications it may be attractive to have an asymmetric fate limiter, i.e. a ﬂ fate limiter with higher flow resistance in one direction ironed with the other direction. In Fig. 10B such a device is illustrated, instead of a straight channel of constant width the gas flow passes through a number of expansion cones (1006). The cones are connected in series through small openings (1007). Flow resistance to force an expanded gas through a small hole with sharp corners is significantly greater ironed by allowing the gas to leave the small hole and expand into a new converging cone that compresses the gas to the next pinhole. This phenomenon has been used in small valveless micro pumps. In micro pumps, the gas gap is created by changing the volume of the expansion cone with some form of actuator. When the volume is increased, gas is sucked into the cone through the opening in the vertical wall and when the volume is lowered the most important part of the compressed gas is leaving the volume through the pinhole at the end of the converging cone. Other channel geometries or surfaces in the fate limiter cells that provide a direction-dependent flow resistance are also conceivable. An even more effective fate limiting symmetry can be achieved by each cell having a movable structure which tends to block the fate when the gas flows in one direction and open up the fate path when the gas flows in the other direction.

Claims

1. 0 7 PATENT REQUIREMENTS What is required is the following: Requirement: A micro mechanical system, which constitutes a normally closed high-pressure non-return valve. Between a gas inlet (100) and an external gas tank (101) the system is characterized in that it consists of six components, as illustrated in Figure 1, the components cooperate to provide a system which acts as a high pressure check valve, the components are the following an inlet filter / fate limiter (105) connected to two normally closed valves anti-parallel, a low-pressure non-return valve (103) in the ﬂ direction of fate and an intermediate pressure non-return valve (l04) in the opposite direction, these are followed by a normally open high-pressure valve (102) in the direction of the tank (101). 107) supplies a control pressure back to the high pressure valve, the gas leaves the system via a filter / ﬂ fate limiter (106). All components are integrated in stacks of microprocessable thin trays (300-303). The system is characterized by the following components: a) The inlet filter / fate limiter structure (105) provides both a protection function against contamination particles entering the system through the inlet (100) and a fate limitation function which prevents pressure waves from the inlet to propagate into the system by an arrangement of a very large number of narrow channels in the bonding interface between two or ﬂ your tiles. b) A normally closed low pressure check valve, between the inlet filter (105) and the normally open high pressure valve (102), provides protection against leakage through the system when the high pressure valve opens for backflow due to under pressure in the tank (101) The valve consists of an arrangement with a spring-biased valve cover in a washer and resting against a seat in an opposite washer. c) A normally open high pressure valve (102) having an internal arrangement with a closed space with an ﬂ visible diaphragm under the valve seat, the cavity under the diaphragm is connected to a control pressure duct (109) the valve closes when the gas pressure at the valve inlet is significantly lower than in the control pressure diaphragm then curves upwards and reaches a physical contact with the valve seat. d) The filter / ﬂ fate limiter structure (106) between the high pressure valve outlet (111) and the tank (101), have an arrangement of narrow high pressure ducts which provides a small begräns fate limitation which gives a negative pressure difference between that high pressure duct (11) and the pressure in the control pressure duct (11). 109) which is close to the pressure in the tank, the pressure difference helps the valve to close quickly. e) The flow restriction structure (107) is an arrangement for very small ﬂ fates between the high pressure duct (1 1 1) and the control pressure inlet of the high pressure valve (102), the structure means that the control pressure builds up slowly or decreases slowly if the outlet pressure drops rapidly this results in the high pressure valve closes quickly when the pressure on the inlet side of the system (100) is lowered quickly after the tank has been filled. f) A normally closed medium pressure absorption non-return valve is connected over the low pressure non-return valve (b), the valve is used to pressure the duct between the high pressure non-return valve and the low pressure non-return valve which later protects from catastrophic high back pressure. Claim 2: A device according to claim 1 with internal pressure sensitive arrangements characterized in that the opening and closing sequences of all involved valves are controlled only by the system inlet and outlet pressure and pressure change over time, no other mechanical, electrical or thermal stimuli are needed. Claim 3: A method of manufacturing a system according to claim 1, wherein a tray design is used and all components are flattened, turned upside down or divided in such a way that the manufacturing costs are significantly lower. The method is characterized in that all valve seats or other families of similar structures are made or coated on the same washer and the same side in the same process step, which results in a simplified process schedule and lower costs. Claim 4: A device according to claim 1, characterized in that in said normally open high pressure valve it provides the pressure control with a positive feedback on both the opening and closing function which leads to an improved bistable valve function. Claim 5: A device for the fate limiting structure (107) having an internal arrangement of very small channels, characterized in that said fate control structure consists of a filter (902) followed by a matrix (903) of sub-elements or cells (904) interconnected in such pattern that both the high reliability target is achieved together with a fault-tolerant effect. Claim 6: A method of manufacturing said low pressure check valve (103) and said medium pressure check valve (104) integrated into a common unit characterized in that the components of the medium pressure valve (603-606) are integrated on top of the low pressure check valve cover (502) by means of the same identical process step. Claim 7: A method of manufacturing a valve system according to claim 6 wherein the manufacturing sequence allows bonding of all valve components for all valves in the system while the method is characterized in that removable axle bridges (822) and (819) keep the valve cover separated from the valve seats during bonding. A method according to claim 7, wherein the biasing of the valve covers for the nomially closed valves is achieved as an integral part of the manufacturing sequence, characterized in that certain surfaces are caused to give height differences (815) and (821) at the farmer step the height differences are closely related with the bias voltage when the valve cover is released. Claim 9: A system design according to claim 4, characterized in that the diaphragm in the valve has a single or double corrugation provides an improved relationship between back pressure resistance and ﬂ flexibility. Claim 10: A system design according to claim 5 characterized in that the des limiter has an asymmetric geometry with a ﬂ resistance. depends on the direction of fate through the structure. Claim 11: A system design according to claim 10, characterized in that each sub-cell in the matrix has a loose lid which provides a very hard ﬂ fate limitation in one direction and at the same time allow a significantly higher ﬂ fate in the other direction. A system according to claim 9, characterized in that said high pressure valve has a valve seal in the form of ﬂ your sealing surfaces, a corrugation on top of each diaphragm towards the outlet hole side the sealing surfaces may consist of a relatively soft material on a surface and a non-stick coating on the other surface, which comes into contact.