WO2019072467A1 - Passives ventil, mikropumpe und verfahren zur herstellung eines passiven ventils - Google Patents

Passives ventil, mikropumpe und verfahren zur herstellung eines passiven ventils Download PDF

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WO2019072467A1
WO2019072467A1 PCT/EP2018/074280 EP2018074280W WO2019072467A1 WO 2019072467 A1 WO2019072467 A1 WO 2019072467A1 EP 2018074280 W EP2018074280 W EP 2018074280W WO 2019072467 A1 WO2019072467 A1 WO 2019072467A1
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WO
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valve
layer
opening
valve seat
seat structure
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PCT/EP2018/074280
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English (en)
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Julian Kassel
Ulrike Scholz
Ricardo Ehrenpfordt
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Robert Bosch Gmbh
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/1037—Flap valves
    • F04B53/1047—Flap valves the valve being formed by one or more flexible elements
    • F04B53/106—Flap valves the valve being formed by one or more flexible elements the valve being a membrane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/1087—Valve seats

Definitions

  • Valves are arranged to specify a pumping direction.
  • An actuator of a micropump can be produced, for example, by means of a printed circuit board process (PCB process) using, for example, standard materials such as polyimide (PI), copper, etc.
  • PCB process printed circuit board process
  • PI polyimide
  • To set a direction of the fluid flow valves are arranged.
  • the invention relates to a passive valve, a micropump, which comprises at least one passive valve and a method for producing a passive valve.
  • Printed circuit board can be integrated and thus allows a compact construction of microfluidic devices comprising passive valves. Furthermore, the passive valve has a high mechanical robustness and reliability. By using the passive valve, low-leakage micropumps can be inexpensively manufactured using standard technologies of the PCB process chain. This allows micropumps to be produced at prices similar to those of traditional standard circuit boards. Furthermore, thus highly efficient micropumps can be realized, whereby reliable, small-sized, active fluidaktuATOR sensors,
  • the passive valve comprises a carrier layer, a valve structure and a valve seat structure.
  • the carrier layer has a first opening on a first side of the carrier layer.
  • the valve seat structure is arranged in a contact region of the valve structure.
  • the valve seat structure framed the first opening.
  • the valve structure is configured to release the first opening depending on a pressure difference acting on the valve structure, wherein at least part of the contact area of the valve structure is spaced from the valve seat structure, or to close the first opening, wherein when closing
  • the passive valve is characterized in that the valve structure is formed as a membrane layer, wherein between the membrane layer and the support layer at least partially a connection layer is arranged, wherein the
  • Valve seat structure and the first opening in the connection layer are recessed and the membrane layer has a second opening in the contact region.
  • One advantage is that the fact that the second opening is arranged in the contact region of the membrane layer, it can be prevented that a fluid can pass the passive valve against the flow direction, since the
  • the passive valve may be designed, for example, as a passive check valve and / or as a passive valve integrated into a printed circuit board.
  • the carrier layer and the connection layer are formed as a printed circuit board.
  • the carrier layer comprises a glass fiber fabric with cured epoxy resin.
  • the tie layer comprises a prepreg, ie a non-cured glass fiber fabric
  • Epoxy resin Epoxy resin.
  • the passive valve is integrated in the circuit board and thus has a high mechanical robustness. Furthermore, this construction allows miniaturization of the passive valve and thus a compact construction of microfluidic devices, such as micropumps, which include passive valves integrated in the circuit board.
  • the first opening and / or the valve seat structure have a circular cross-section.
  • the second opening is slit-shaped.
  • Slit-shaped may mean that the second opening is rectangular in shape, wherein a width of the rectangle is much smaller than a length of the rectangle.
  • the slit-shaped second opening may describe a narrow opening with an elongated shape, wherein the second opening only exists when the membrane layer is deflected upon release of the first opening and when closing the width of the second opening approaches zero.
  • Membrane layer rests in the contact area on the valve seat structure, can be effectively prevented that a fluid against the fluid flow direction can pass the passive valve.
  • One advantage is that leakage of the passive valve can be prevented and thus the efficiency of the passive valve can be increased.
  • micropump comprising at least one of the aforementioned passive valves
  • Micropump is a microsystem pump that has a reduced size compared to conventional pumps.
  • a micropump has dimensions in the millimeter range and / or below.
  • the membrane layer of the passive valve is a pumping membrane of the micropump.
  • a method for producing a passive valve comprises the steps:
  • the method is characterized in that arranging a
  • Connecting layer which has a recess for the valve seat structure and the first opening, takes place on the first side of the carrier layer. Furthermore, the method is characterized in that in the step of
  • a membrane layer having a second opening is applied to the connection layer and the valve seat structure such that the second opening is arranged in the contact region.
  • the method is characterized in that pressing takes place, wherein the carrier layer and the membrane layer bond to the connection layer and the membrane layer is placed on the valve seat structure in the contact region. In the contact region, the membrane layer and the valve seat structure are unglued, since no bonding layer is arranged in the contact region.
  • structuring of the carrier layer takes place in the step of forming the valve seat structure.
  • the valve seat structure can be formed by regrinding the first side of the carrier layer.
  • valve seat structure and the carrier layer may consist of a composite material.
  • the valve seat structure can be milled free.
  • the valve seat structure can also be pressed onto the carrier layer via another prepreg and adhered by means of an adhesive.
  • the carrier layer can already be pre-structured or structured after sticking. The structuring of the carrier layer can
  • the through hole can thus after the application of the valve seat structure in a common drilling step or before, that is, in two separate
  • FIG. 6 is a plan view of a section of a passive valve according to an embodiment
  • FIG. 7 shows a cross section of a section of a passive valve according to a
  • Fig. 8 is a cross section of a detail of a passive valve according to a
  • FIG. 9 shows a cross section of a micropump, wherein the membrane layer of the passive valve is a pumping membrane of the micropump and
  • FIGS. 1 to 5 show steps of a method 300 for producing a passive valve 100.
  • a Printed circuit board usually comprises at least one core and at least one layer of a prepreg.
  • the core may be formed, for example, as a glass fiber fabric with cured epoxy resin.
  • a prepreg for example, a glass fiber fabric with uncured epoxy resin can be used.
  • the core can as
  • Carrier layer 101 of the passive valve 100 may be used.
  • a prepreg may be used as the bonding layer 107 of the passive valve 100.
  • FIG. 1 shows a section of a cross section of the carrier layer 101 of the passive valve 100.
  • Opening 104 on a first side 1010 of a carrier layer 101 generates 301, as shown in FIG.
  • the first opening 104 may be formed as a vertical channel with respect to the first side 1010.
  • the first opening 104 may be created, for example, by drilling or lasing, with drilling and lasers being standard technologies of the PCB process chain.
  • Opening 104 has a circular cross-section in Fig. 1, wherein the
  • Diameter of the first opening 104 over the entire thickness of the carrier layer 101 is constant.
  • the diameter of the first opening 104 may change, for example, the first opening 104 may have oblique or structured side surfaces and / or a cross section deviating from a circular cross section.
  • FIG. 2 shows a section of a cross section of the carrier layer 101 of the passive valve 100 in the production step of forming 302 a valve seat structure 103 on the carrier layer 101.
  • the formation 302 of the valve seat structure 103 takes place by structuring 3020 of the carrier layer 101.
  • the first side 1010 of the carrier layer 101 is milled off, resulting in an elevated, dome-like region which frames the first opening 104.
  • This raised, dome-like region forms the valve seat structure 103.
  • Bordering here means that the valve seat structure 103 on the first side 1010 of the carrier layer 101 forms, for example, a raised edge for the first opening 104.
  • the valve seat structure 103 can thus form a frame for the first opening 104.
  • the valve seat structure 103 may in this case a
  • Valve structure 102 may prevent a fluid from passing through first opening 104 can.
  • the valve seat structure 103 surrounds the first opening 104, for example annularly.
  • the valve seat structure 103 for example, as a circular structure, which
  • Recess in the region of the first opening 104, on the first side 1010 of the carrier layer 101 may be formed.
  • the first opening 104 and the valve seat structure are not arranged concentrically in FIG. 2, but are arranged eccentrically with respect to one another.
  • Fig. 3 is a section of a cross section of the carrier layer 101 with the
  • Valve seat structure 103 shown, wherein an arranging 303, a connection layer 107 on the first side 1010 of the carrier layer 101 takes place. Arranging 303 is indicated by the two arrows left and right of the connecting layer 107.
  • the connection layer 107 has a recess 1071 for the valve seat structure 103 and the first opening 104.
  • the recess 1071 is circular in this case and has a first diameter 1070.
  • the valve seat structure 103 is likewise circular in FIG. 3, the valve seat structure 103 having a second diameter 1030.
  • the second diameter 1030 is equal to or smaller than the first diameter 1070 so that the bonding layer 107 receives a flow area at a crimping step 305.
  • the recess 1071 of the connection layer 107 may also have a shape deviating from a circular shape.
  • the lateral dimensions of the valve seat structure 103 can be selected to be smaller than the lateral dimensions of the recess 1071 of the connection layer 107, such that the connection layer 107 receives a flow region during the compression 305.
  • the connecting layer 107 may be thicker than the
  • Valve seat structure 103 i. the connection layer 107 may protrude above the valve seat structure 103 after the positioning 303 on the first side 1010 of the carrier layer.
  • Fig. 4 is a section of a cross section of the carrier layer 101 with the
  • valve structure 102 Connecting layer 107 on the first side 1010 of the carrier layer 101 shown. There is an arranging 304 of the valve structure 102, which is indicated by the two arrows left and right of the valve structure 102.
  • the valve structure 102 is in this case designed as a membrane layer 106 and has a second opening 105.
  • Membrane layer 106 has a contact region 1020, in which the
  • Membrane layer 106 and the valve seat structure 103 can be brought into contact with each other.
  • the contact region 1020 may be formed by projecting a side of the membrane layer 106 facing the membrane
  • the second opening 105 is formed in the contact area 1020.
  • the membrane layer may be formed as a film, for example as a polyimide film (Pl film).
  • FIG. 5 shows a section of a cross section of the carrier layer 101 in the step of pressing 305.
  • the membrane layer 106 is adhesively bonded by means of the bonding layer 107 with the carrier layer 101 and gas-tight.
  • the membrane layer 106 rests on the valve seat structure 103 in the contact region 1020, but does not bond, since no connection layer 107 is arranged between the membrane layer 106 of the valve seat structure 103 in the contact region 1020.
  • the membrane layer 106 is thus movable in the contact region 1020 and in the region of the first opening 104 and may be due to a fluid flow coming from the first opening 104 on the
  • Membrane layer 106 impinges are deflected, so that the fluid flow the
  • Membrane layer 106 can pass through the second opening 105.
  • the connecting layer 107 has the same thickness as the valve seat structure 103 after the pressing 305. Due to the flow area of the connecting layer 107, the distance resulting from the different diameters of the recess 1071 and the valve seat structure 103 is filled by the connecting layer 107 during the pressing 305.
  • the second opening 105 is formed in the contact area 1020 and does not overlap with the first opening 104.
  • the carrier layer 101 may, as shown in FIG. 5, be formed, for example, as a core of a printed circuit board 108 and the connecting layer 107 as a prepreg of a printed circuit board 108.
  • the process steps described above are
  • the passive valve 100 may be embodied as a passive valve 100 integrated in the printed circuit board 108, as shown for example in FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 6 shows a plan view of a section of the passive valve 100.
  • the second opening 105 is formed slot-shaped in the membrane layer 106.
  • the first Opening 104 and the valve seat structure 103 are circular in this embodiment, wherein the first opening 104 are arranged in the valve seat structure 103 eccentric to each other.
  • the second opening 105 is formed in the contact region 1020 of the membrane layer 106, in which the membrane layer 106 rests on the valve seat structure 103 in an undeflected state.
  • FIG. 7 shows a cross section of a section of the passive valve 100, wherein the membrane layer 106 releases the first opening 104.
  • a first pressure 109 acts on a side of the membrane layer 106 facing the first opening 104 and a second pressure 110 acts on a side of the membrane layer 106 facing away from the first opening 104.
  • the first pressure 109 acts on a side of the membrane layer 106 facing the first opening 104
  • a second pressure 110 acts on a side of the membrane layer 106 facing away from the first opening 104.
  • the first pressure 109 acts on a side of the membrane layer 106 facing the first opening 104
  • a second pressure 110 acts on a side of the membrane layer 106 facing away from the first opening 104.
  • the first pressure 109 acts on a side of the membrane layer 106 facing the first opening 104
  • a second pressure 110 acts on a side of the membrane layer 106 facing away from the first opening 104.
  • the first pressure 109 acts on a side of the membrane layer 106 facing
  • the membrane layer 106 bulges away from the first opening 104 at least in a part of the contact region 1020, so that the membrane layer 106 is spaced from the valve seat structure 103 and a connection between the first opening 104 and the second opening 105 of the membrane layer 106 is released.
  • a fluid flow with a first flow direction 1 1 1 can thus the first opening 104 and the second opening
  • Membrane layer 106 away from the valve seat structure 103.
  • valve seat structure 103 is movable in the contact region and bonded outside of the valve seat structure 103 and the first opening 104 by means of the connecting layer 107 with the carrier layer or glued.
  • a case is shown in which the first pressure 109 is smaller than the second pressure 1 10, i. a positive pressure difference acts on the membrane layer 106.
  • the membrane layer 106 is in the contact area on the
  • Valve seat structure and is pressed against the valve seat structure 103, so that the first opening 104 and the second opening 105 are sealed from each other. An incident on the valve 100 through the second opening 105
  • Flow direction 1 1 1 is directed opposite, thus can not pass from the second opening 105 into the first opening 104.
  • the fluid flow in Direction of the second flow direction 1 12 presses the membrane layer 106 in the contact region 1020 against the valve seat structure. A leak through
  • the passive valve 100 can thus control the flow direction of the fluid.
  • the passive valve 100 can thus act as a check valve.
  • FIG. 9 shows a micropump 200 in cross-section.
  • the so-called pumping membrane 201 comprises.
  • the membrane 201 of the micropump 200 is deflected electromagnetically, i.
  • the membrane 201 includes magnetic elements, and in the prepregs or cores above and below, electric coils are made in the form of traces, or the membrane made of e.g. PI, contains
  • FIG. 10 shows a flow chart of a method 300 for producing the passive valve 100.
  • the method 300 comprises the steps: generating 301 the first opening 104 on the first side 1010 of the carrier layer 101, forming 302 the
  • the method 300 comprises the steps of arranging 304 a valve structure 102 such that in a contact region 1020 of the valve structure 102 between the valve structure 102 of the first side 1010 of FIG
  • Carrier layer 101, the valve seat structure 103 is arranged and the membrane layer 106 with the second opening 105 on the connecting layer 107 and the
  • Valve seat structure 103 is applied such that the second opening 105 in

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein passives Ventil (100), wobei das passive Ventil (100) eine Trägerschicht (101), eine Ventilstruktur (102) und eine Ventilsitzstruktur (103) umfasst, ∙ wobei die Trägerschicht (101) auf einer ersten Seite (1010) der Trägerschicht (101) eine erste Öffnung (104) aufweist, ∙ wobei in einem Kontaktbereich (1020) der Ventilstruktur (102), zwischen der Ventilstruktur (102) und der ersten Seite (1010) der Trägerschicht (101), die Ventilsitzstruktur (103) angeordnet ist, ∙ wobei die Ventilsitzstruktur (103) die erste Öffnung (104) umrahmt, und ∙ wobei die Ventilstruktur (102) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit einer auf die Ventilstruktur (102) wirkenden Druckdifferenz die erste Öffnung (104) freizugeben, wobei beim Freigeben zumindest ein Teil des Kontaktbereichs (1020) der Ventilstruktur (102) von der Ventilsitzstruktur (103) beabstandet vorliegt,oder die erste Öffnung (104) zu verschließen, wobei beim Verschließen der Kontaktbereich (1020) der Ventilstruktur (102) auf der Ventilsitzstruktur (103) aufliegt, wobei die Ventilstruktur (102) als Membranschicht (106) ausgebildet ist, wobei zwischen der Membranschicht (106) und der Trägerschicht (101) zumindest teilweise eine Verbindungsschicht (107) angeordnet ist, wobei die Ventilsitzstruktur (103) und die erste Öffnung (104) in der Verbindungsschicht (107) ausgespart sind, und ∙ die Membranschicht (106) im Kontaktbereich (1020) eine zweite Öffnung (105) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Passives Ventil, Mikropumpe und Verfahren zur Herstellung eines passiven Ventils
Stand der Technik
In DE 19719862 A1 ist eine Mikromembranpumpe mit einem Einlass- und einem Auslassventil beschrieben, wobei die Ventile als passive Rückschlagventile ausgebildet sind.
Kern und Vorteile der Erfindung Bei mikrofluidischen Anwendungen, wie beispielsweise Mikropumpen, können
Ventile angeordnet werden, um eine Pumprichtung vorzugeben. Eine Aktorik einer Mikropumpe kann beispielsweise mittels eines Leiterplatten prozesses (PCB-Prozess) hergestellt werden, wobei beispielsweise Standardmaterialien wie Polyimid (PI), Kupfer, etc. verwendet werden. Zum Festlegen einer Richtung des Fluidstroms werden Ventile angeordnet.
Die Erfindung betrifft ein passives Ventil, eine Mikropumpe, welche mindestens ein passives Ventil umfasst und ein Verfahren zur Herstellung eines passiven Ventils.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass das passive Ventil vollständig mittels Standardtechnologien der PCB- Prozesskette hergestellt werden kann, wobei das passive Ventil in eine
Leiterplatte integriert werden kann und somit einen kompakten Aufbau von mikrofluidischen Vorrichtungen, welche passive Ventile umfassen, ermöglicht. Des Weiteren weist das passive Ventil eine hohe mechanische Robustheit und Zuverlässigkeit auf. Durch die Verwendung des passiven Ventils können leckagearme Mikropumpen kostengünstig mittels Standardtechnologien der PCB-Prozesskette hergestellt werden. Dadurch können Mikropumpen zu ähnlichen Preisen wie herkömmliche Standard-Leiterplatten hergestellt werden. Des Weiteren können somit hocheffiziente Mikropumpen realisiert werden, wodurch zuverlässige, kleinbauende, aktive fluidaktuierte Sensoren,
beispielsweise für Smartphone-Anwendungen, realisiert werden können.
Dies wird erreicht mit einem passiven Ventil, wobei das passive Ventil eine Trägerschicht, eine Ventilstruktur und eine Ventilsitzstruktur umfasst. Die Trägerschicht weist auf einer ersten Seite der Trägerschicht eine erste Öffnung auf. Zwischen der Ventilstruktur und der ersten Seite der Trägerschicht ist die Ventilsitzstruktur in einem Kontaktbereich der Ventilstruktur angeordnet. Die Ventilsitzstruktur umrahmt die erste Öffnung. Die Ventilstruktur ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit einer auf die Ventilstruktur wirkenden Druckdifferenz die erste Öffnung freizugeben, wobei beim Freigeben zumindest ein Teil des Kontaktbereichs der Ventilstruktur von der Ventilsitzstruktur beabstandet vorliegt, oder die erste Öffnung zu verschließen, wobei beim Verschließen der
Kontaktbereich der Ventilstruktur auf der Ventilsitzstruktur aufliegt. Das passive Ventil zeichnet sich dadurch aus, dass die Ventilstruktur als Membranschicht ausgebildet ist, wobei zwischen der Membranschicht und der Trägerschicht zumindest teilweise eine Verbindungsschicht angeordnet ist, wobei die
Ventilsitzstruktur und die erste Öffnung in der Verbindungsschicht ausgespart sind und die Membranschicht im Kontaktbereich eine zweite Öffnung aufweist. Ein Vorteil ist, dass dadurch, dass die zweite Öffnung im Kontaktbereich der Membranschicht angeordnet ist, verhindert werden kann, dass ein Fluid das passive Ventil entgegen der Strömungsrichtung passieren kann, da die
Membranschicht in diesem Fall auf der Ventilsitzstruktur aufliegt und die zweite Öffnung somit durch die Ventilsitzstruktur verschlossen wird. Somit kann eine Leckage des Ventils effizient verhindert werden. Das passive Ventil kann beispielsweise als passives Rückschlagventil und/ oder als ein in eine Leiterplatte integriertes passives Ventil ausgeführt sein. In einer Ausführungsform sind die Trägerschicht und die Verbindungsschicht als Leiterplatte ausgebildet. In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Trägerschicht ein Glasfasergewebe mit ausgehärtetem Epoxidharz. Die Verbindungsschicht umfasst ein Prepreg, d.h. ein Glasfasergewebe mit nicht ausgehärtetem
Epoxidharz. Ein Vorteil ist, dass das passive Ventil in die Leiterplatte integriert ist und somit eine hohe mechanische Robustheit aufweist. Des Weiteren ermöglicht dieser Aufbau eine Miniaturisierung des passiven Ventils und somit einen kompakten Aufbau von mikrofluidischen Vorrichtungen, wie beispielsweise Mikropumpen, welche in die Leiterplatte integrierte passive Ventile umfassen.
In einer Ausführungsform weisen die erste Öffnung und/oder die Ventilsitzstruktur einen kreisförmigen Querschnitt auf. Ein Vorteil ist, dass die erste Öffnung und/oder die Ventilsitzstruktur somit mit einer hohen Zuverlässigkeit mit
Standardprozessen hergestellt werden können. Dies ermöglicht eine
kostengünstige Fertigung des passiven Ventils.
In einer Ausführungsform ist die zweite Öffnung schlitzförmig ausgebildet.
Schlitzförmig kann hierbei bedeuten, dass die zweite Öffnung rechteckförmig ausgebildet ist, wobei eine Breite des Rechtecks sehr viel kleiner als eine Länge des Rechtecks ist. Beispielsweise kann die schlitzförmige zweite Öffnung eine schmale Öffnung mit länglicher Form beschreiben, wobei die zweite Öffnung erst dann besteht, wenn die Membranschicht beim Freigeben der ersten Öffnung ausgelenkt wird und beim Verschließen die Breite der zweiten Öffnung gegen Null geht. Durch das intrinsische Verschließen der zweiten Öffnung, wenn die
Membranschicht im Kontaktbereich auf der Ventilsitzstruktur aufliegt, kann effizient verhindert werden, dass ein Fluid entgegen der Fluidströmungsrichtung das passive Ventil passieren kann. Ein Vorteil ist, dass eine Leckage des passiven Ventils verhindert und somit die Effizienz des passiven Ventils erhöht werden kann.
Die Vorteile einer Mikropumpe, umfassend mindestens eines der vorgenannten passiven Ventile, ergeben sich aus den vorgenannten Vorteilen. Eine
Mikropumpe ist eine Pumpe aus der Mikrosystemtechnik, welche gegenüber klassischen Pumpen eine reduzierte Baugröße aufweist. Beispielsweise weist eine Mikropumpe Abmessungen im Millimeterbereich und/oder darunter auf. In einer Ausführungsform ist die Membranschicht des passiven Ventils eine Pumpmembran der Mikropumpe. Ein Vorteil ist, dass somit auf das separate Anordnen einer Pumpmembran verzichtet werden kann und somit eine kostengünstige, kompakte Mikropumpe realisiert werden kann.
Ein Verfahren zur Herstellung eines passiven Ventils umfasst die Schritte:
Erzeugen einer ersten Öffnung auf einer ersten Seite einer Trägerschicht, Ausbilden einer Ventilsitzstruktur auf der Trägerschicht, wobei die erste Öffnung von der Ventilsitzstruktur umrahmt wird, Anordnen einer Ventilstruktur derart, dass in einem Kontaktbereich der Ventilstruktur zwischen der Ventilstruktur und der ersten Seite der Trägerschicht die Ventilsitzstruktur angeordnet ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Anordnen einer
Verbindungsschicht, welche eine Aussparung für die Ventilsitzstruktur und die erste Öffnung aufweist, auf der ersten Seite der Trägerschicht erfolgt. Des Weiteren zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass im Schritt des
Anordnens der Ventilstruktur eine Membranschicht mit einer zweiten Öffnung auf die Verbindungsschicht und die Ventilsitzstruktur derart aufgebracht wird, dass die zweite Öffnung im Kontaktbereich angeordnet wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Verpressen erfolgt, wobei die Trägerschicht und die Membranschicht mit der Verbindungsschicht verkleben und die Membranschicht im Kontaktbereich auf der Ventilsitzstruktur aufgelegt wird. Im Kontaktbereich sind die Membranschicht und die Ventilsitzstruktur unverklebt, da im Kontaktbereich keine Verbindungsschicht angeordnet ist. Das Verfahren ermöglicht
vorteilhafterweise eine kostengünstige Herstellung des passiven Ventils mit Standardprozessen der PCB-Prozesskette. Weitere Vorteile des Verfahrens ergeben sich aus dem vorgenannten Vorteilen zum passiven Ventil und der Mikropumpe.
In einer Ausführungsform erfolgt im Schritt des Ausbildens der Ventilsitzstruktur ein Strukturieren der Trägerschicht. Beispielsweise kann die Ventilsitzstruktur durch Rückfräsung der ersten Seite der Trägerschicht ausgebildet werden.
Beispielsweise können die Ventilsitzstruktur und die Trägerschicht aus einem Materialverbund bestehen. Die Ventilsitzstruktur kann hierbei freigefräst werden. Alternativ oder ergänzend kann die Ventilsitzstruktur auch über einen weiteren Prepreg auf die Trägerschicht aufgepresst und mittels eines Klebers aufgeklebt werden. Die Trägerschicht kann hierbei bereits vorstrukturiert oder nach dem Aufkleben strukturiert werden. Die Strukturierung der Trägerschicht kann
beispielsweise durch Bohren, Fräsen und/ oder durch einen Laserprozess erfolgen. Das Durchloch kann somit nach dem Aufbringen der Ventilsitzstruktur in einem gemeinsamen Bohrschritt oder vorher, das heißt in zwei getrennten
Schritte erfolgen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche
Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen
Fig. 1 - Fig. 5 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines passiven Ventils gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt eines passiven Ventils gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 einen Querschnitt eines Ausschnitts eines passiven Ventils gemäß einem
Ausführungsbeispiel, wobei eine Membranschicht eine erste Öffnung freigibt,
Fig. 8 einen Querschnitt eines Ausschnitts eines passiven Ventils gemäß einem
Ausführungsbeispiel, wobei die erste Öffnung verschlossen ist und
Fig. 9 einen Querschnitt einer Mikropumpe, wobei die Membranschicht des passiven Ventils eine Pumpmembran der Mikropumpe ist und
Fig. 10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines passiven
Ventils gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In Fig. 1 bis Fig. 5 sind Schritte eines Verfahrens 300 zur Herstellung eines passiven Ventils 100 dargestellt. Für die Herstellung des passiven Ventils 100 können Standardprozesse aus der Leiterplattenherstellung angewendet werden. Eine Leiterplatte umfasst üblicherweise mindestens einen Core und mindestens eine Lage eines Prepreg. Der Core kann beispielsweise als Glasfasergewebe mit ausgehärtetem Epoxidharz ausgebildet sein. Als Prepreg kann beispielsweise ein Glasfasergewebe mit nicht ausgehärtetem Epoxidharz verwendet werden. Der Core kann als
Trägerschicht 101 des passiven Ventils 100 verwendet werden. Ein Prepreg kann beispielsweise als Verbindungsschicht 107 des passiven Ventils 100 verwendet werden.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Querschnitts der Trägerschicht 101 des passiven Ventils 100 dargestellt. Bei der Herstellung des passiven Ventils 100 wird eine erste
Öffnung 104 auf einer ersten Seite 1010 einer Trägerschicht 101 erzeugt 301 , wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Beispielsweise kann die erste Öffnung 104, wie in Fig. 1 dargestellt, als senkrechter Kanal bezüglich der ersten Seite 1010 ausgebildet sein. Die erste Öffnung 104 kann beispielsweise durch Bohren oder Lasern erzeugt werden, wobei Bohren und Lasern Standardtechnologien der PCB-Prozesskette sind. Die erste
Öffnung 104 weist in Fig. 1 einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei der
Durchmesser der ersten Öffnung 104 über die komplette Dicke der Trägerschicht 101 konstant ist. In einem weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann sich der Durchmesser der ersten Öffnung 104 verändern, beispielsweise kann die erste Öffnung 104 schräge oder strukturierte Seitenflächen und/oder einen von einem kreisförmigen Querschnitt abweichenden Querschnitt aufweisen.
In Fig. 2 ist ein Ausschnitt eines Querschnitts der Trägerschicht 101 des passiven Ventils 100 im Herstellungsschritt Ausbilden 302 einer Ventilsitzstruktur 103 auf der Trägerschicht 101 dargestellt. Das Ausbilden 302 der Ventilsitzstruktur 103 erfolgt hierbei durch Strukturieren 3020 der Trägerschicht 101. Die erste Seite 1010 der Trägerschicht 101 wird hierbei abgefräst, sodass sich ein erhöhter, domartiger Bereich ergibt, welcher die erste Öffnung 104 umrahmt. Dieser erhöhte, domartige Bereich bildet die Ventilsitzstruktur 103. Umrahmen bedeutet hierbei, dass die Ventilsitzstruktur 103 auf der ersten Seite 1010 der Trägerschicht 101 beispielsweise eine erhöhte Kante für die erste Öffnung 104 bildet. Die Ventilsitzstruktur 103 kann somit einen Rahmen für die erste Öffnung 104 bilden. Die Ventilsitzstruktur 103 kann hierbei eine
Dichtfläche für die erste Öffnung 104 bilden, auf weiche eine Ventilstruktur 102 aufgelegt werden kann, um die erste Öffnung 104 abzudichten, sodass die
Ventilstruktur 102 verhindern kann, dass ein Fluid die erste Öffnung 104 passieren kann. Die Ventilsitzstruktur 103 umschließt die erste Öffnung 104 beispielsweise ringförmig. Wie in Fig. 6 in einer Aufsicht auf das passive Ventil 100 zu sehen ist, kann die Ventilsitzstruktur 103 beispielsweise als kreisförmige Struktur, welche eine
Aussparung im Bereich der ersten Öffnung 104 aufweist, auf der ersten Seite 1010 der Trägerschicht 101 ausgebildet sein. Die erste Öffnung 104 und die Ventilsitzstruktur sind in Fig. 2 nicht konzentrisch sondern exzentrisch zueinander angeordnet.
In Fig. 3 ist ein Ausschnitt eines Querschnitts der Trägerschicht 101 mit der
Ventilsitzstruktur 103 dargestellt, wobei ein Anordnen 303 eine Verbindungsschicht 107 auf der ersten Seite 1010 der Trägerschicht 101 erfolgt. Das Anordnen 303 ist durch die beiden Pfeile links und rechts von der Verbindungsschicht 107 angedeutet. Die Verbindungsschicht 107 weist eine Aussparung 1071 für die Ventilsitzstruktur 103 und die erste Öffnung 104 auf. Die Aussparung 1071 ist hierbei kreisförmig ausgebildet und weist einen ersten Durchmesser 1070 auf. Die Ventilsitzstruktur 103 ist in Fig. 3 ebenfalls kreisförmig ausgebildet, wobei die Ventilsitzstruktur 103 einen zweiten Durchmesser 1030 aufweist. Der zweite Durchmesser 1030 ist gleich oder kleiner dem ersten Durchmesser 1070, sodass die Verbindungsschicht 107 bei einem Schritt Verpressen 305 einen Flussbereich erhält. Im Allgemeinen kann die Aussparung 1071 der Verbindungsschicht 107 auch eine von einer Kreisform abweichende Form aufweisen. Die lateralen Abmessungen der Ventilsitzstruktur 103 können hierbei kleiner als die lateralen Abmessungen der Aussparung 1071 der Verbindungsschicht 107 gewählt werden, sodass beim Verpressen 305 die Verbindungsschicht 107 einen Flussbereich erhält. Die Verbindungsschicht 107 kann hierbei dicker als die
Ventilsitzstruktur 103 sein, d.h. die Verbindungsschicht 107 kann nach dem Anordnen 303 auf der ersten Seite 1010 der Trägerschicht über die Ventilsitzstruktur 103 hinausragen.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt eines Querschnitts der Trägerschicht 101 mit der
Verbindungsschicht 107 auf der ersten Seite 1010 der Trägerschicht 101 dargestellt. Es erfolgt ein Anordnen 304 der Ventilstruktur 102, was durch die beiden Pfeile links und rechts der Ventilstruktur 102 angedeutet ist. Die Ventilstruktur 102 ist hierbei als Membranschicht 106 ausgebildet und weist eine zweite Öffnung 105 auf. Die
Membranschicht 106 weist einen Kontaktbereich 1020 auf, in welchem die
Membranschicht 106 und die Ventilsitzstruktur 103 in Kontakt miteinander gebracht werden können. Der Bereich der Membranschicht 106, welcher die erste Öffnung 104 überspannt, ist nicht Teil des Kontaktbereichs 1020. Der Kontaktbereich 1020 kann durch Projektion einer der Membranschicht 106 zugewandten Seite der
Ventilsitzstruktur auf die Membranschicht 106 beschrieben werden. Die zweite Öffnung 105 ist im Kontaktbereich 1020 ausgebildet. Die Membranschicht kann als Folie, beispielsweise als Polyimid-Folie (Pl-Folie), ausgebildet sein.
In Fig. 5 ist ein Ausschnitt eines Querschnitts der Trägerschicht 101 im Schritt des Verpressens 305 dargestellt. Durch Ausüben eines Verpressdrucks 3050 auf die Membranschicht 106 wird die Membranschicht 106 mittels der Verbindungsschicht 107 mit der Trägerschicht 101 flächig und gasdicht verklebt. Die Membranschicht 106 liegt im Kontaktbereich 1020 auf der Ventilsitzstruktur 103 auf, verklebt jedoch nicht, da zwischen der Membranschicht 106 der Ventilsitzstruktur 103 im Kontaktbereich 1020 keine Verbindungsschicht 107 angeordnet ist. Die Membranschicht 106 ist somit im Kontaktbereich 1020 und im Bereich der ersten Öffnung 104 beweglich und kann durch einen Fluidstrom, welcher von der ersten Öffnung 104 kommend auf die
Membranschicht 106 auftrifft ausgelenkt werden, sodass der Fluidstrom die
Membranschicht 106 durch die zweite Öffnung 105 passieren kann. Eine detailliertere Beschreibung der Funktionsweise des passiven Ventils 100 ist in den Figuren 7 und 8 und der zugehörigen Beschreibung gezeigt. Die Verbindungsschicht 107 weist nach dem Verpressen 305 die gleiche Dicke wie die Ventilsitzstruktur 103 auf. Aufgrund des Flussbereichs der Verbindungsschicht 107 wird der Abstand, welcher sich aus den unterschiedlichen Durchmessern der Aussparung 1071 und der Ventilsitzstruktur 103 ergab, beim Verpressen 305 von der Verbindungsschicht 107 aufgefüllt. Die zweite Öffnung 105 ist im Kontaktbereich 1020 ausgebildet und überlappt nicht mit der ersten Öffnung 104.
Die Trägerschicht 101 kann, wie in Fig. 5 gezeigt, beispielsweise als Core einer Leiterplatte 108 und die Verbindungsschicht 107 als Prepreg einer Leiterplatte 108 ausgebildet sein. Die vorstehend beschriebenen Prozessschritte sind
Standardprozesse der Leiterplatten-Herstellung. Das passive Ventil 100 kann als ein in die Leiterplatte 108 integriertes passives Ventil 100 ausgeführt sein, wie dies beispielsweise in den Figuren 1 bis 5 dargestellt ist.
In Fig. 6 ist eine Aufsicht auf einen Ausschnitt des passiven Ventils 100 dargestellt. Die zweite Öffnung 105 ist schlitzförmig in der Membranschicht 106 ausgebildet. Die erste Öffnung 104 und die Ventilsitzstruktur 103 sind in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgebildet, wobei die erste Öffnung 104 in die Ventilsitzstruktur 103 exzentrisch zueinander angeordnet sind. Die zweite Öffnung 105 ist im Kontaktbereich 1020 der Membranschicht 106 ausgebildet, in welchem die Membranschicht 106 auf der Ventilsitzstruktur 103 in einem nicht ausgelenkten Zustand aufliegt.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des passiven Ventils 100, wobei die Membranschicht 106 die erste Öffnung 104 freigibt. Es wirkt ein erster Druck 109 auf eine der ersten Öffnung 104 zugewandte Seite der Membranschicht 106 und es wirkt ein zweiter Druck 1 10 auf eine der ersten Öffnung 104 abgewandte Seite der Membranschicht 106. In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste
Druck 109 größer als der zweite Druck 1 10, d.h. auf die Membranschicht 106 wirkt eine negative Druckdifferenz. In Abhängigkeit der Differenz des ersten
Drucks 109 und zwei Drucks 1 10 wölbt sich die Membranschicht 106 zumindest in einem Teil des Kontaktbereichs 1020 von der ersten Öffnung 104 weg, sodass die Membranschicht 106 von der Ventilsitzstruktur 103 beabstandet vorliegt und eine Verbindung zwischen der ersten Öffnung 104 und der zweiten Öffnung 105 von der Membranschicht 106 freigegeben wird. Ein Fluidstrom mit einer ersten Strömungsrichtung 1 1 1 kann somit die erste Öffnung 104 und die zweite Öffnung
105 passieren. Je betragsmäßig größer die Druckdifferenz zwischen dem erstem Druck 109 und dem zweitem Druck 1 10 ist, desto stärker wölbt sich die
Membranschicht 106 von der Ventilsitzstruktur 103 weg. Die Membranschicht
106 ist im Kontaktbereich beweglich und außerhalb der Ventilsitzstruktur 103 und der ersten Öffnung 104 mittels der Verbindungsschicht 107 mit der Trägerschicht verbunden bzw. verklebt.
In Fig. 8 ist ein Fall dargestellt, in dem der erste Druck 109 kleiner als der zweite Druck 1 10 ist, d.h. eine positive Druckdifferenz auf die Membranschicht 106 wirkt. Die Membranschicht 106 liegt hierbei im Kontaktbereich auf der
Ventilsitzstruktur auf und wird an die Ventilsitzstruktur 103 angedrückt, sodass die erste Öffnung 104 und die zweite Öffnung 105 gegeneinander abgedichtet sind. Ein durch die zweite Öffnung 105 auf das Ventil 100 auftreffender
Fluidstrom mit einer zweiten Strömungsrichtung 1 12, welche der ersten
Strömungsrichtung 1 1 1 entgegengesetzt gerichtet ist, kann somit nicht von der zweiten Öffnung 105 in die erste Öffnung 104 gelangen. Der Fluidstrom in Richtung der zweiten Strömungsrichtung 1 12 drückt die Membranschicht 106 im Kontaktbereich 1020 gegen die Ventilsitzstruktur. Eine Leckage durch
Zurückströmen des Fluid entlang der zweiten Strömungsrichtung 1 12 kann somit verhindert werden. Das passive Ventil 100 kann somit die Strömungsrichtung des Fluids steuern. Das passive Ventil 100 kann somit als Rückschlagventil wirken.
In Fig. 9 ist eine Mikropumpe 200 im Querschnitt dargestellt. Die Mikropumpe
200 umfasst in diesem Ausführungbeispiel ein passives Ventil 100, wobei die
Membranschicht 102 des passiven Ventils 100 zugleich die Membranschicht der Mikropumpe, die sogenannte Pumpmembran 201 , umfasst. Die Membran 201 der Mikropumpe 200 wird beispielsweise elektromagnetisch ausgelenkt, d.h. in einem Ausführungsbeispiel enthält die Membran 201 magnetische Elemente und in den Prepregs bzw. Core oberhalb bzw. unterhalb sind elektrische Spulen in Form von Leiterbahnen ausgeführt, oder die Membran, aus z.B. PI, enthält
Spulen in Form von Leiterbahnen, wobei oberhalb bzw. unterhalb der Membran in Core und Prepreg Magnete eingelassen sind.
In Fig. 10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zur Herstellung des passiven Ventils 100 gezeigt das Verfahren 300 umfasst die Schritte: Erzeugen 301 der ersten Öffnung 104 auf der ersten Seite 1010 der Trägerschicht 101 , Ausbilden 302 der
Ventilsitzstruktur 103 auf der Trägerschicht 101 , wobei die erste Öffnung 104 von der Ventilsitzstruktur 103 umrahmt wird, wobei der vorgenannte Schritt beispielsweise durch das Strukturieren 3020 der Trägerschicht 101 erfolgen kann und Anordnen 303 einer Verbindungsschicht 107 auf der ersten Seite 1010 der Trägerschicht 101 , wobei die Verbindungsschicht 107 eine Aussparung 1071 für die Ventilsitzstruktur 103 und die erste Öffnung 104 aufweist. Des Weiteren umfasst das Verfahren 300 die Schritte Anordnen 304 einer Ventilstruktur 102 derart, dass in einem Kontaktbereich 1020 der Ventilstruktur 102 zwischen der Ventilstruktur 102 der ersten Seite 1010 der
Trägerschicht 101 die Ventilsitzstruktur 103 angeordnet ist und die Membranschicht 106 mit der zweiten Öffnung 105 auf die Verbindungsschicht 107 und die
Ventilsitzstruktur 103 derart aufgebracht wird, dass die zweite Öffnung 105 im
Kontaktbereich 1020 angeordnet wird. Durch Verpressen 305 verkleben die
Trägerschicht 101 in die Membranschicht 106 mittels der Verbindungsschicht 107 und die Membranschicht 106 wird im Kontaktbereich 1020 auf die Ventilsitzstruktur 103 aufgelegt.

Claims

Ansprüche
1 . Passives Ventil (100), wobei das passive Ventil (100) eine Trägerschicht (101 ), eine Ventilstruktur (102) und eine Ventilsitzstruktur (103) umfasst,
• wobei die Trägerschicht (101 ) auf einer ersten Seite (1010) der
Trägerschicht (101 ) eine erste Öffnung (104) aufweist,
• wobei in einem Kontaktbereich (1020) der Ventilstruktur (102),
zwischen der Ventilstruktur (102) und der ersten Seite (1010) der Trägerschicht (101 ), die Ventilsitzstruktur (103) angeordnet ist,
• wobei die Ventilsitzstruktur (103) die erste Öffnung (104) umrahmt, und
• wobei die Ventilstruktur (102) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit einer auf die Ventilstruktur (102) wirkenden Druckdifferenz die erste Öffnung (104) freizugeben, wobei beim Freigeben zumindest ein Teil des Kontaktbereichs (1020) der Ventilstruktur (102) von der Ventilsitzstruktur (103) beabstandet vorliegt, oder die erste Öffnung (104) zu verschließen, wobei beim Verschließen der Kontaktbereich (1020) der Ventilstruktur (102) auf der Ventilsitzstruktur (103) aufliegt, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Ventilstruktur (102) als Membranschicht (106) ausgebildet ist, wobei zwischen der Membranschicht (106) und der Trägerschicht (101 ) zumindest teilweise eine Verbindungsschicht (107) angeordnet ist, wobei die Ventilsitzstruktur (103) und die erste Öffnung (104) in der Verbindungsschicht (107) ausgespart sind, und
• die Membranschicht (106) im Kontaktbereich (1020) eine zweite
Öffnung (105) aufweist. Passives Ventil (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (101 ) und die Verbindungsschicht (107) als Leiterplatte (108) ausgebildet sind.
Passives Ventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (101 ) ein Glasfasergewebe mit ausgehärtetem Epoxidharz umfasst.
Passives Ventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (107) ein Prepreg und/oder ein Glasfasergewebe mit einer Schicht, welche bei der Herstellung des passiven Ventils klebende Eigenschaften aufweist, umfasst.
Passives Ventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (104) und/oder die Ventilsitzstruktur (103) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Passives Ventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Öffnung (105) schlitzförmig ausgebildet ist.
Mikropumpe (200), umfassend ein passives Ventil (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Mikropumpe (200) nach Anspruch 7, wobei die Membranschicht (106) des passiven Ventils (100) eine Pumpmembran (201 ) der Mikropumpe (200) ist.
Verfahren (300) zur Herstellung eines passiven Ventils (100) mit den Schritten:
• Erzeugen (301 ) einer ersten Öffnung (104) auf einer ersten Seite (1010) einer Trägerschicht (101 ),
• Ausbilden (302) einer Ventilsitzstruktur (103) auf der Trägerschicht (101 ), wobei die erste Öffnung (104) von der Ventilsitzstruktur (103) umrahmt wird,
• Anordnen (304) einer Ventilstruktur (102) derart, dass in einem
Kontaktbereich (1020) der Ventilstruktur (102) zwischen der Ventilstruktur (102) und der ersten Seite (1010) der Trägerschicht (101 ) die Ventilsitzstruktur (103) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
• ein Anordnen (303) einer Verbindungsschicht (107), welche eine Aussparung (1071 ) für die Ventilsitzstruktur (103) und die erste Öffnung (104) aufweist, auf der ersten Seite (1010) der Trägerschicht (101 ) erfolgt,
• im Schritt des Anordnens (304) der Ventilstruktur (102) eine
Membranschicht (106) mit einer zweiten Öffnung (105) auf die Verbindungsschicht (107) und die Ventilsitzstruktur (103) derart aufgebracht wird, dass die zweite Öffnung (105) im Kontaktbereich (1020) angeordnet wird und
• ein Verpressen (305) erfolgt, wobei die Trägerschicht (101 ) und die Membranschicht (106) mit der Verbindungsschicht (107) verkleben und die Membranschicht (106) im Kontaktbereich (1020) auf der Ventilsitzstruktur (103) aufgelegt wird.
10. Verfahren (300) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Ausbildens (302) der Ventilsitzstruktur (103) ein Strukturieren (3020) der Trägerschicht (101 ) erfolgt.
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