SE529165C2 - Ett mikromekanisk isolationsventilsystem för högt tryck - Google Patents

Description

25 30 529 165 Z uppskjutningsförbereclelser, på grund av den normala ryggridande situationen. Men även för interplanetära uppdrag, där drivsystemet måste vara inaktivt under kanske många år innan rymdfarkosten när sitt järran objekt. Vid den tidpunkten måste drivsystemet uppträda med full kapacitet, uppenbarligen måste drivmedelsläckage undvikas med en hög tillitsgrad.

Ett sätt att reducera läckageproblemet är att använda flytande eller fasta drivmedel, men användningen av gasformiga drivmedel eller trycksatt gas år i många fall nödvändig. Helium används i många dubbeldrivande system som trycksatt gas och det måste lagras i högtryckstankar. Den växande användningen av elektrisk framdrivning med Xenon eller Krypton som drivmedelsgas kräver också läcktäta högtryckstankar. Kallgaspådrivare kan användas för högnoggrann ställningsstyrning, i synnerhet om rymdfarkost- kontamination är ett stort bekymmer. Kallgassystemet använder mycket vänliga drivmedelsgaser, men fordrar normalt högtryckstankar för att lagra gasen.

Konventionella pyro-ventiler använder en eller flera pyrotekniska laddningar för att öppna en normalt stängd ventil, antingen genom att trycka en ihålig pinne genom ett membran, eller att skapa ett gastryck, vilket i sin tur bryter sönder ett tätningsmembran. Ett problem idag är att alla kvalificerade pyrventiler är, jämfört med en mikrorymdfarkost, mycket stora och tunga.

Mikroisolationsventilen är en design för att lösa detta problem men även för att öka funktionaliteten genom att lägga till en högtryckssensor och en temperatursensor. Ökade prestandafordringar eller miniatyriseringskrav efterlyser mer masseffektiva tillverkningsmetoder. Mikrosystemteknologi som använder kisel eller keramer är mycket lämpliga för att tillverka ventilkomponenterna, men komponenternas storlek och sprödhet gör användningen av högenergimanövreringsmetoder såsom pyrotekniska laddningar mycket svära att använda, den långsamma och mjuka manövreringen av ett fasövergångsmaterial gör den till en mycket lämpligare metod. 10 15 20 25 30 529 165 3 Den häri presenterade uppfinningen innehåller två delar kombinerade till en multifunktionell mikromekanisk isolationsventilenhet. En ny metod för att försiktigt bryta tåtningsmembranet, genom användning av en metallegering med en fasövergång vid låg temperatur och en integrerad trycksensor kapabel att mäta tanktrycket både före och efter aktiveringen av engångsventilen. Denna lösning reducerar både sannolikheten för läckor på högtryckssidan och eliminerar ett antal mekaniska gränssnitt och stödstrukturer vilket leder till en högt reducerad massa för systemet. 4. SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Det föreliggande ventilkonceptet är ett litet multifunktionellt mikrosystem baserat på mikrobearbetning i kisel. Det är ett multifunktionellt system eftersom det även innehåller en högtryckssensor och en temperatursensor med integrerad gränssnittselektronik. En del av högtryckssensorn används också som uppvärmningselement i ventilmanöverdonet.

Trycksensorn mäter uppströmstrycket genom en del av samma membran, vilket brister runt dess omkrets när ventilen manövreras. Trycksensorn fungerar även efter ventilöppning eftersom mittendelen av membranet bibehålls intakt. Mikroisolationsventilen kommer att tjäna som en normalt stängd pyroventil, vilken tillhandahåller en nollåckhastighet före eftersom det obrutna kiselmembranet är fullständigt läcktätt.

En stor fördel med en fasövergångsmanövrering är att verkan är långsam och försiktig, till skillnad från en konventionell pyroventil, vilken förlitar sig på pyroteknisk manövrering, vilket i värsta fall kan orsaka farliga pyrochocker i systemet. Frånvaron av sprängämnen eller pyrotekniska material förenklar även systemintegrationen. 10 15 20 25 30 529 165 H i Mikrosystemet själv är en liten cylindrisk skiva med en diameter av 10-20 mm och en tjocklek av några mm. Anordningen behöver inrymrnas, en eller flera, i ett konventionells trycktåligt hus. 5. KORT FIGURBESKRIVN IN G Figur 1 är systemblocksdiagrammet på toppnivå.

Figur 2 är ett tvärsnitt genom det fullständiga systemet.

Figur 3 är ett tvärsnitt, stängd icke trycksatt ventilskiva.

Figur 4 är ett tvärsnitt genom trycksensorkroppen.

Figur 5 är ett tvärsnitt genom en stängd, men trycksatt ventílskiva.

Figur 6 är ett tvärsnitt genom en öppen trycksatt ventilskiva. 6. DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Ett blockdiagram på topp-nivå för systemet ges i figur 1.

Systemet består av mikroisolationsventilen (100) med en ingång (101), ett splitterfilter (104) och en utgång (102). En kapacitiv trycksensor (103) år ansluten till ingångstrycksidan; sensorsignalen matas till ventilelektroniken (105). Samma elektronik ger ordern att öppna ventilen. Ordern är en ström som värmer upp en del av ventilen, orsakar en fasövergång för en fast metallskiva. Den smältande skivan tillåter ett membran att böjas och slutligen gå sönder, vilket öppnar ventilen. Elektroniken fås att samverka med den yttre världen över en gränssnittsanslutning (106).

Den praktiska inrymningen av systemet i ett metallhus (201) och (207) nära tanken illustreras i ñgur 2. Ventilen, trycksensorn och splitterfiltret inrymmes i waferbunten (200) för ventilarrangemanget, ventilelektroniken i en annan Waferbunt (206), på denna bunt finns ett kablage (209) monterat.

Kablaget är anslutet till gränssnittsanslutningen (210). Högtrycksingången från tanken leds till systemet genom ett mittenhål (202). Utgången från systemet är ett eller flera hål (203) separerade med en högtryckståtning 10 15 20 25 30 529) 165 ä” (204), vilken är en eller flera o-ringar. En annan tätning (205) förhindrar gas från att läcka ut från systemet utanför kiselwaferbunten. Två andra o-ringar (208) håller kiselmodulerna hängande i metallhuset.

Ett tvärsnitt genom den Waferbunt som utgör ventilarrangemanget kan användas för att identifiera komponenterna i det, se figur 3.

Waferbunten består av fyra wafers (301-304). Tre av dem (301-303) är mikrostrukturerade kiselwafers. Den fjärde wafern (304) är gjord av ett termiskt isolerande materia, såsom glas. Det som definieras som högtryckssensorkroppen (308) presenteras i detalj i figur 4.

Trycksensorkroppen omges av ett smalt sönderbrytningsmembranet (307) som är utformat för att hantera det maximala tanktrycket med den specificerade säkerhetsmarginalen.

Membranet kommer att brista når metallbrickan (315) smälter och tillåter membran, trycksensorkroppen att sjunka ner, såsom en effekt av ingångstrycket som verkar på den.

Den inre delen av trycksensorkroppen verkar som en separat anordning som mäter ingångstrycket, tanktrycket, genom en inre böjning av två membran (310).

Böjningen mäts av en kapacitiv förskjutningssensor, vilken är en del av en resonanskrets, induktionsspolen som fordras är en spirallindad luftspole (313) som omger kondensatorplattorna (312), på båda sidor.

Trycksensorkroppen är upphängd i position med användning av två membran (309), membranet mot högtryckssidan är utformat för att motstå det maximala ingångstrycket, även när den böjs ut maximalt.

Mittendelen av trycksensorkroppen är upphängd i två membran (310), ett membran är vid toppen och det andra vid botten. Denna uppställning tillåter 10 15 20 25 30 529 165 ß mittendelen att flytta sig upp eller ner som en funktion av ingångstrycket.

Tryckutböjningen (500) illustreras i figur 5. I figuren är även det minskade avståndet mellan elektrodplattorna i den kapacitiva sensorn (312) illustrerade.

Trycksensorkroppen innehåller två korrugerade membran med en solid upphöjning i mitten, den solida mittendelen ger en extremt plan yta, vilken är mycket lämplig att vara en elektrod i en kapacitiv sensor (312), den motstående elektroden är belägen på ovansidan av plugghållaren. Dubbla lager spolar (3 13) runt kapacitanselektroderna bildar en parallellresonanskrets. Kretsen drivs till resonans med användning av en Colpitts-oscillatoranslutning. Når ventilen ska öppnas förs en hög DC-ström genom spolen, vilket resulterar i en hög effektutveckling, vilken efter en kort stund börjar smälta sönderbrytningspluggen (315) vilket tillåter trycksensorkroppen (308) att sjunka vilket resulterar i brytandet av sönderbrytningsmembranet (307). Den smälta metallen från sönderbrytningspluggen (315) trycks ut i den omgivande håligheten (600).

Mellan trycksensorkroppen (308) och den omgivande filterstrukturen (311) finns en fri volym (602), vilken används för att samla upp fragmenten från det brustna sprickningsmembranet (601), se figur 6.

Den fysiska strukturen av de kapacitiva förskjutningssensorerna är extremt enkel (en eller flera fasta plattor, vilka en eller flera rörliga plattor). Deras enkelhet och mycket små temperaturkoefficienter överskuggar ofta den inneboende ickelineariteten för de flesta kapacitiva sensorer. Med den monolitiska integreringen av signalkonditioneringskretsar mildras de tillkommande problemen med att mäta ofta mycket små kapacitansändringar gentemot stora parasitiska.

N är sönderbrytningsmembranet går sönder bildas visst splitter, ett integrerat partikelñlter (311) hindrar partiklar från att flytta sig nedströms.

Filterstrukturen (korsade V-fåror) är utformad för att hindra alla sfäriska partiklar större än tre (3) mikrimeter. Filtret är ganska grovt för att inte 10 15 20 25 30 529 165 f), sättas igen eftersom all gas i tanken är tänkt att passera genom det. Ett ingångsfilter på tryckregulatom hindrar även alla mindre partiklar ned till mikrometeromrädet. Även om resistiva sensorer har använts spritt tidigare, har nyligen kapacitiva sensorer börjat uppträda inom många områden. Kapacitiva sensorer är attraktiva eftersom de besitter ett antal viktiga särdrag som är önskvärda i många integrerade system. De uppvisar generellt sett mycket lägre temperaturkänslighet än deras resistiva motsvarigheter på grund av elimineringen av de temperaturkänsliga resistorelementen i deras struktur.

De tillhandahåller även en totalt sett högre känslighet och upplösning, och förbrukar mycket mindre effekt, vilket gör dem lämpliga för många lägeffekttillämpningar såsom i uppfinningen.

Spolarna (313) som används i de tryckavläsande kretsama etsas ut från samma metalllager som användes för kapacitanselektroderna. Genom att tilllåta en hög DC-ström genom dem, kan de också användas som värmningselement för att smälta LMP-brickan (3 15).

Brickan gjord av en legering med låg smältpunkt (eng. Low Melting Point) är nyckelelementet i ventilutformningen. Vid låg temperatur, under flytgränsen, tillhandahåller brickan ett mycket fast stöd till ventilens mittenkropp. Vid högre temperatur mjuknar brickan och börjar smälta och flöda utåt till några expansionsvolymer runt brickhälllaren. Mittenkroppen kan sedan flytta sig nedåt under tanktrycket, spänningen på sprickningsmembranet ökar tills membranet går sönder och ger en fri passage för gasen från tanken.

Den mest tillfredsställande lösningen i valet av en lämplig LMP-legering är att använda en eutektisk legering, vilken kan förväntas att ge efter när den når den eutektiska temperaturen. Sådana legeringar är tyvärr få till antalet, men behovet kan ofta tillfredsställas av en av de många icke-eutektiska, vilka uppvisar väldefinierade flytpunkten (enligt standarden inom ett nära 529 1es S' område av inte mer än 2°C, den faktiska temperaturen beroende på de lokala förhållandena såsom storlek och form av komponenterna, pålagt tryck och termisk konduktivitet för de omgivande materialen.

De finns en hel rad tenn-vismut-legeringar med en lämplig smälttemperatiir mellan lO0-200°C. Ingenjörskompromissen som behöver göras är mellan maximal säker temperatur och effektåtgång för att öppna ventilen.

Claims (11)

10 15 20 25 30 529 165 v PATENTKRAV

1. Ett mikromekaniskt isolationsventilsystem, kännetecknat av: ett ventilarrangemang (100) uppbyggt av en första bunt av substrat (200), i sin tur innefattande: ett tätningsmembran (307) nära en ingångskanal (101, 202) på en högtryckssida; en förformad sönderbrytningsplugg (315) för tätningsmembranet (307); ett stödsubstrat (304) anordnat för termisk isolering av sönderbrytningspluggen (3 15); ett upphettningssystem (313) baserat på en metallfilm anordnat för att smälta sönderbrytningspluggen (315) för tätningsmembranet (307); en trycksensor (103) anordnad enligt en böjmembransprincíp; och ett splitterfilter ( 104; 311) nära en utgångskanal (203) ; ventilelektronik (105) uppbyggd av en andra stapel av substrat (206), innefattande: _ elektronik för trycksensoravläsning; och elektronik för drift av upphettningssystemet (313); samt ett elektriskt anslutningsgränssnitt (106; 210).

2. Ett mikromekaniskt isolationsventílsystem enligt krav 1, kännetecknat av att tätningsmembranet (307) är anordnat att brista på grund av en ökad mekanisk påfrestning orsakad av smältningen av sönderbrytningspluggen (315) beordrad från utsidan.

3. Ett mikromekaniskt isolationsventilsystem enligt krav 2, kännetecknat av att den mekaniska påfrestningen induceras på grund av en fysisk förflyttning av en centralkropp (308), som inträffar när sönderbrytningspluggen (315) ändrar sig från en fast fas till ett flödbart tillstånd. 10 15 20 25 30 529 165 /O

4. Ett míkromekanískt isolationsventilsystem enligt något av kraven 1 till 3, kännetecknat av att den förformade sönderbrytningspluggen (315) består av en metall eller metallegering med en låg smälttemperatur.

5. Ett mikromekaniskt isolationsventilsystem enligt något av kraven 1 till 4, kännetecknat av att splitterflltret ( 104; 311) är format i bondgränssnittet mellan ett första (301) och ett andra (302) substrat.

6. Ett mikromekaniskt isolationsventilsystem enligt något av kraven 1 till 5, kännetecknat av att splitterfiltret ( 104; 311) år tillkommande anordnat för att tillhandahålla en flödesbegränsning för att förhindra stötvågor nedströms systemet.

7. _ Ett mikromekaniskt isolationsventilsystem enligt något av kraven 1 till 6, kännetecknat av att böjmembranet i trycksensorn (103) inbegriper två membran (410) med ihopbondade upphöjningar.

8. Ett mikromekaniskt isolationsventilsystem enligt något av kraven 1 till 7, kännetecknat av att böjmembranet år mekaniskt isolerat från systemet utanför en centralkropp (308), varvid böjmembranets böjning endast beror på ingångsgastrycket.

9. Ett mikromekaniskt isolationsventilsystem enligt något av kraven 1 till 8, kännetecknat av att ventilarrangemanget (100) är anordnat demonterbart från ventilelektroniken (105), varvid ventilelektroniken (105) blir återanvändningsbar.

10. Ett mikromekaniskt isolationsventilsystem enligt något av kraven 1 till 9, kännetecknat av ett mekaniskt hus (201, 207) utformat för att inrymma en eller flera isolationsventiler (100), vilket mekaniska hus (201, 207) innefattar en fast del (201) med O-ringstätningar (204, 205) mot varje högtrycksingång (101, 202) och utgång (203) för isolationsventilen (100), samt ett avlågsningsbart lock (207) över varje isolationsventil (100), varvid 10 15 20 225 529 165 /l varje lock (207) innehåller det elektriska anslutningsgränssnittet (106; 210) för under locket (207) inrymd isolationsventil (100).

11. Metod för tillverkning av ett mikromekaniskt isolationsventilsystem, som har ett ventilarrangemang (100) uppbyggd av en första bunt av substrat (200) och ventilelektronik (105) uppbyggd av en andra bunt av substrat (206), vilken metod innefattar steget: formning av ventilarrangemanget (100) i den första bunten av substrat (200) med hjälp av mikrobearbetning i kisel, vilken formning i sin tur innefattar: formning av ett tätningsmembran (307) nära en ingångskanal (101, 202) på en högtryckssida; formning av en sönderbrytningsplugg (3 15) för tätningsmembranet (307 ); formning av ett böjmembran för en trycksensor (103); och formning av ett splitterfilter (104; 311) nåra en utgångskanal (203); tillhandahållande av ett stödsubstrat (304) för termisk isolering av sönderbrytningspluggen (315); tillhandahållande av en metallfilm som upphettningssystem (313) för att smälta sönderbrytningspluggen (315) för tätningsmembranet (307 ); samt tillhandahållande av elektronik för trycksensoravläsning, elektronik för drift av upphettningssystemet (313) samt ett elektriskt anslutníngsgränssnitt (106; 210) i den andra bunten av substrat (206).