DE19637945C2

DE19637945C2 - Microvalve and process for its manufacture

Info

Publication number: DE19637945C2
Application number: DE19637945A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Phys Richter; Stefan Dipl Phys Kluge
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2016-09-18
Also published as: DE19637945A1; EP0836012A3; EP0836012B1; EP0836012A2; DE59710369D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikroventile, zur Steu erung einer Fluidströmung, bei denen eine Ventilklappe von einer Auflagestruktur nur sehr wenig beabstandet ist.The present invention relates on micro valves, for tax generation of a fluid flow, where a valve flap of a support structure only is very little apart.

Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht eines bekannten Mikro ventils, das in dem U. S. Patent Nr. 4,585,209 beschrieben ist. Eine Ventilklappe 160 befindet sich über einer Auflage struktur 120, die eine Mehrzahl von Ventilöffnungen 140 auf weist. Dieses Mikroventil 100 ist ein Ventil, das normaler weise geschlossen ist. Fig. 6 shows a cross-sectional view of a known micro valve, which is described in US Patent No. 4,585,209. A valve flap 160 is located above a support structure 120 which has a plurality of valve openings 140 . This microvalve 100 is a valve that is normally closed.

Die in Fig. 6 gezeigte Situation bezieht sich auf eine vor handene Fluidströmung 180 durch die Ventilöffnungen 140, die die Ventilklappe 160 in einen offenen Zustand bewegt. Wird nun zwischen die Auflagestruktur 120 und die Ventilklappe 160 eine elektrische Spannung angelegt, so wird sieh die Ventilklappe 160 zur Auflagestruktur 120 hin bewegen und das Mikroventil 100 schließen, wodurch die Fluidströmung 180 ge steuert werden kann. Bei dem Mikroventil 100 in Fig. 6 be steht die mit den Ventilöffnungen 140 versehene Auflageplat te 120 aus Glas, wohingegen die Ventilklappe 160 aus Silizi um hergestellt ist. Die Mehrzahl von Ventilöffnungen 140 werden in der Glasplatte 120 mittels Laserbohren gebildet. Wie es in dem U. S. Patent Nr. 4,585,209 beschrieben ist, kann die Glasplatte 120 mittels eines geeigneten Hochfre quenz-Ätzmittels geätzt werden, wobei dann jedoch keine Mehrzahl von Öffnungen gebildet werden kann, sondern ledig lich eine einzige Ventilöffnung. Aus Fig. 6 ist zu sehen, daß die Auflagestruktur 120 zwar eine Mehrzahl von Ventil öffnungen 140 aufweist, daß jedoch die bezüglich Fig. 6 ganz rechte Ventilöffnung 140 nicht besonders viel zur Fluidströ mung 180 beitragen kann, da die Fluidströmung 180 durch die einseitig aufgehängte Ventilklappe 160 stark behindert wird. Den wesentlichen Anteil zur Fluidströmung werden daher die Ventilöffnungen, die eher auf der linken Seite angeordnet sind, liefern, wodurch ein "effektiver Ventilöffnungsquer schnitt" bei dem bekannten Mikroventil wesentlich kleiner als ein "praktisch wirksamer Ventilöffnungsquerschnitt" ist.The situation shown in FIG. 6 relates to an existing fluid flow 180 through the valve openings 140 , which moves the valve flap 160 into an open state. If an electrical voltage is now applied between the support structure 120 and the valve flap 160 , then the valve flap 160 will move towards the support structure 120 and the microvalve 100 will close, as a result of which the fluid flow 180 can be controlled. In the microvalve 100 in FIG. 6, the support plate 120 provided with the valve openings 140 is made of glass, whereas the valve flap 160 is made of silicon. The plurality of valve openings 140 are formed in the glass plate 120 by means of laser drilling. As described in US Pat. No. 4,585,209, the glass plate 120 can be etched using a suitable high-frequency etchant, but then no plurality of openings can be formed, but only a single valve opening. From Fig. 6 it can be seen that the support structure 120 has a plurality of valve openings 140 , but that the valve opening 140 on the far right with respect to FIG. 6 cannot contribute much to the fluid flow 180 , since the fluid flow 180 is suspended by the one side Valve flap 160 is severely hindered. The essential part of the fluid flow will therefore provide the valve openings, which are arranged on the left side, whereby an "effective valve opening cross section" in the known microvalve is much smaller than a "practically effective valve opening cross section".

Ferner ist der Austrittsweg der Fluidströmung 180 durch die geringe Beabstandung der Spitze der Ventilklappe 160 zu der linken Haltestruktur der Ventilklappe begrenzt. Außerdem vergrößern die sich in Richtung des Fluidflusses konisch verkleinernden Ventilöffnungen 140, deren Gestalt durch die Technologie des Laserbohrens festgelegt ist, den Strömungs widerstand des Mikroventils 100. Furthermore, the exit path of the fluid flow 180 is limited by the small spacing of the tip of the valve flap 160 from the left holding structure of the valve flap. In addition, the valve openings 140 , which decrease conically in the direction of the fluid flow and whose shape is determined by the technology of laser drilling, increase the flow resistance of the microvalve 100 .

Das US-Patent Nr. 4,538,642 offenbart ein schnell wirkendes mechanisches Ventil, das ein erstes mikroporöses planares elektrisch leitfähiges plattenartiges Bauglied 4 aufweist, das eine Mehrzahl von Öffnungen umfaßt. Die Öffnungen des ersten elektrisch leitfähigen Films sind versetzt zu Öff nungen in einem zweiten mikroporösen planaren elektrisch leitfähigen plattenartigen Bauglied angeordnet. Sowohl der obere Film als auch der untere Film bestehen aus Aluminium. An dem oberen Film ist eine isolierende Schicht, die aus Aluminiumoxid besteht, angebracht. Der obere und der untere Film sind an einem Ende kurzgeschlossen, während an einem anderen Ende eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Ein durch die leitfähigen Filme fließender Strom wird in dem oberen Film in der einen Richtung und in dem unteren Film in der entgegengesetzten Richtung zurückfließen. Dieser Strom fluß in entgegengesetzten Richtungen durch die parallelen elektrisch leitfähigen Filme treibt sie aufgrund entgegenge setzter elektromagnetischer Felder voneinander weg, wodurch ein Öffnen des Ventils erreicht wird.U.S. Patent No. 4,538,642 discloses a fast acting mechanical valve having a first microporous planar electrically conductive plate-like member 4 which comprises a plurality of openings. The openings of the first electrically conductive film are arranged offset to openings in a second microporous planar electrically conductive plate-like member. Both the top film and the bottom film are made of aluminum. An insulating layer consisting of aluminum oxide is attached to the upper film. The upper and lower films are short-circuited at one end while an electrical voltage can be applied at another end. A current flowing through the conductive films will flow back in one direction in the upper film and in the opposite direction in the lower film. This current flows in opposite directions through the parallel electrically conductive films drives them away from each other due to opposing electromagnetic fields, whereby an opening of the valve is achieved.

Die DE 44 02 096 A1 offenbart ein mikrominiaturisiertes Ventil mit einem kristallinen Substrat, das einen Flußweg und eine angehobene Ventilsitzstruktur aufweist. Das Ventilsitzsub strat umfaßt eine einzige Ventilöffnung, die gegenüber einer Armatur liegt, die die Ventilöffnung verschließen kann. In geschlossenem Zustand berührt die Armatur einen Ventilsitz, der sich von dem Sitz-Substrat erstreckt, und in Form einer Dichtungslippe um die Ventilöffnung herum gebildet ist. Zur Reduzierung des Strömungswiderstandes sind unterschiedliche Ausgestaltungen des Ventilsitzes bzw. der Dichtungskante um die einzige Ventilöffnung herum offenbart.DE 44 02 096 A1 discloses a microminiaturized valve with a crystalline substrate that has a flow path and a has raised valve seat structure. The valve seat sub strat includes a single valve opening opposite one Fitting is located, which can close the valve opening. In when closed, the valve touches a valve seat, which extends from the seat substrate, and in the form of a Sealing lip is formed around the valve opening. For Reduction in flow resistance are different Refinements of the valve seat or the sealing edge reveals the only valve opening around.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mikroventil mit minimalem Strömungswiderstand zu schaffen.The object of the present invention is a To create microvalve with minimal flow resistance.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 so wie durch eine Mikroventil gemäß Anspruch 2 gelöst. This object is achieved by a method according to claim 1 as solved by a microvalve according to claim 2.

Bei einem Mikroventil limitiert die Stelle mit dem kleinsten Strömungsquerschnitt den Fluiddurchfluß durch das Mikroven til. Aufgrund des bei elektrostatisch betriebenen Mikroven tilen vorhandenen geringen Abstands zwischen der Ventilklap pe und der Auflagestruktur ist nicht die Querschnittsfläche der Ventilöffnung für den Fluiddurchfluß maßgebend, sondern der Umfang der Ventilöffnung, wobei sich der wirksame Strö mungsquerschnitt im wesentlichen aus der Multiplikation des Umfangs der Ventilöffnung mit dem Abstand zwischen Ventil klappe und Auflagestruktur ergibt.In the case of a microvalve, the position with the smallest is limited Flow cross-section the fluid flow through the microven til. Because of the electrostatically operated microven tile existing small distance between the valve flap pe and the support structure is not the cross-sectional area determining the valve opening for the fluid flow, but the circumference of the valve opening, the effective flow mung cross section essentially from the multiplication of the Circumference of the valve opening with the distance between the valve flap and support structure results.

Andererseits ist die Querschnittsfläche der Ventilöffnung für die Fluidkraft oder im Falle eines Gases als Fluid pneu matische Kraft, die auf die Ventilklappe wirkt, maßgeblich.On the other hand, the cross-sectional area of the valve opening for the fluid power or in the case of a gas as a fluid pneu matical force that acts on the valve flap is decisive.

Der Erfindung liegt daher die Erkenntnis zugrunde, daß zum Erreichen eines möglichst geringen Strömungswiderstandes, d. h. eines möglichst hohen Fluiddurchflusses, folgende Maß nahmen unternommen werden müssen:
The invention is therefore based on the knowledge that the following measures must be taken in order to achieve the lowest possible flow resistance, ie the highest possible fluid flow:

- The circumference of the valve opening must be given the pneuma table effective area can be optimized;
- The flow resistance of the supply lines must be verified by Ver increase in cross-sectional areas for the flow in the supply lines are minimized;
- To reduce the flow resistance of the Zulei tings must also be shortened by what Form suitable holes in the valve flap is enough; and
- To achieve a minimal flow resistance open valve the length of the valve openings mi be nimal.

Alle diese Maßnahmen dienen dem Ziel, die pneumatische Kraft auf die Ventilklappe zu minimieren, damit sie für das Be treiben des Ventils vernachlässigt werden kann.All of these measures serve the goal of pneumatic force to minimize the valve flap so that it can be used for loading driving the valve can be neglected.

Ferner müssen bei allen obigen Betrachtungen zusätzliche Randbedingungen berücksichtigt werden, wie z. B. ein minima ler Platzbedarf des Mikroventils, eine ausreichende Stabi lität für mechanische und pneumatische Anforderungen sowie möglichst geringe Kosten durch Auswahl geeigneter Materia lien und durch Beschränkung auf eine minimale Anzahl von Herstellungsschritten.Furthermore, all of the above considerations require additional Boundary conditions are taken into account, such as B. a minimum Space requirement of the microvalve, sufficient stability for mechanical and pneumatic requirements as well lowest possible costs by choosing suitable materials lien and by limiting it to a minimum number of Manufacturing steps.

Bei dem erfindungsgemäßen Mikroventil soll somit der Einfluß der pneumatischen Kraft minimiert werden. Die Öffnungs- und Schließkräfte des Fluids auf die Ventilklappe sollen im wesentlichen nicht durch das Fluid bewirkt werden, sondern von außen an das Mikroventil angelegt werden. Wenn der Einfluß der pneumatischen Kräfte ganz vernachlässigt werden könnte, wäre es möglich, das Mikroventil in beiden Rich tungen zu betreiben. Im Gegensatz dazu sieht der Stand der Technik keine öffnende Kraft vor, sondern diese Kraft wird allein durch die pneumatische Kraft bewirkt. Dieses bekannte Ventil ist also in der Tat ein Ventil, das nur in einer Richtung betrieben werden kann.In the microvalve according to the invention, the influence should thus be the pneumatic force can be minimized. The opening and Closing forces of the fluid on the valve flap should essentially not caused by the fluid, but be applied to the microvalve from the outside. If the Influence of the pneumatic forces can be neglected could, it would be possible to have the microvalve in both rich to operate. In contrast, the state of the Technology is not an opening force, but this force effected solely by the pneumatic force. This well known So valve is indeed a valve that only in one Direction can be operated.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are referred to below with reference to the attached drawing nations explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils; Fig. 1 is a schematic view of a microvalve;

Fig. 2A eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils, das eine Maßnahme zum Verringern des Strömungswi derstandes darstellt; Figure 2A is a schematic view of a microvalve, which is a measure for reducing the Strömungswi DERS tandes.

Fig. 2B eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils, das eine weitere Maßnahme zum Verringern des Strö mungswiderstandes darstellt; Figure 2B is a schematic view of a microvalve, which is a further measure for reducing the Strö mung resistance.

Fig. 2C eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils, das noch eine weitere Maßnahme zum Verringern des Strömungswiderstandes darstellt; FIG. 2C is a schematic view of a microvalve showing still a further measure for reducing the flow resistance;

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils, bei dem die Maßnahmen der Fig. 2A bis 2C kombi niert sind; Fig. 3 is a schematic diagram of a microvalve in which the measures of Figures 2A to 2C are combined;

Fig. 4A eine schematische Draufsicht auf eine Auflage struktur eines erfindungsgemäßen Mikroventils; FIG. 4A is a schematic plan view of a support structure of a micro-valve according to the invention;

Fig. 4B eine schematische Draufsicht auf eine weitere Auf lagestruktur gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 4B is a schematic plan view of another layer structure according to the present invention;

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine Ventilklappe sowie die darunterliegende Auflagestruktur, um die gegenseitige Anordnung von Ventilklappenöffnungen und Ventilöffnungen darzustellen; und Fig. 5, the mutual arrangement of valve flap openings and valve openings represent a schematic plan view of a valve flap and the underlying support structure; and

Fig. 6 eine prinzipielle Darstellung eines Mikroventils gemäß dem Stand der Technik; Fig. 6 is a schematic representation of a micro valve according to the prior art;

Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Mikro ventil 10 in Querschnittsdarstellung, dessen Strömungswi derstand optimiert werden soll. Das Mikroventil 10 weist eine Auflagestruktur 12 mit einer Ventilöffnung 14 und eine Ventilklappe 16 auf. Ein Pfeil 18 deutet eine Fluidströmung an, die durch das Mikroventil 10 gesteuert werden soll. Das Ventil 10 aus Fig. 1 sowie alle anderen im weiteren be schriebenen Mikroventile sind jedoch auch für die andere Fluidflußrichtung einsetzbar, auch wenn es nicht explizit gesagt wird. Mittels beispielsweise elektrostatischer Kräfte kann die Ventilklappe 16 bezüglich der Auflagestruktur 12 bewegt werden, derart, daß die Ventilöffnung 14 durch die Ventilklappe 16 geschlossen werden kann. Es ist jedoch nicht möglich, die Klappe mit elektrostatischen Kräften zu öffnen. Theoretisch können zwar auf die beiden Elektroden (Klappe und Auflagestruktur) gleichnamige elektrische Ladungsträger aufgebracht werden, die sich abstoßen. Die entgegengesetzten Ladungsträger, an denen die elektrischen Feldlinien enden, befinden sich aber weit weg, wie z. B. an einem metallischen Gehäuse. Die Kapazität dieser Anordnung ist aber so klein, daß bei gegebener Spannung fast keine gleichnamigen Ladungs träger auf Ventilklappe und Auflagestruktur gebracht werden können. In der Praxis sind daher elektrostatische Kräfte im mer anziehend. Die öffnende Kraft für das Mikroventil ist dann beispielsweise einen mechanische Vorspannung, z. B. durch eine federnde Aufhängung der Ventilklappe, oder eine verkippte Montage der Klappe oder eine Kraft durch eine ge eignete piezoelektrische Beschichtung. Fig. 1 shows schematically a section of a micro valve 10 in cross-sectional view, the flow resistance should be optimized. The microvalve 10 has a support structure 12 with a valve opening 14 and a valve flap 16 . An arrow 18 indicates a fluid flow that is to be controlled by the microvalve 10 . The valve 10 of FIG. 1 and all other micro valves described below can also be used for the other direction of fluid flow, even if it is not explicitly said. By means of, for example, electrostatic forces, the valve flap 16 can be moved with respect to the support structure 12 in such a way that the valve opening 14 can be closed by the valve flap 16 . However, it is not possible to open the flap with electrostatic forces. In theory, electrical charge carriers of the same name can be applied to the two electrodes (flap and support structure), which repel each other. The opposite charge carriers, where the electrical field lines end, are far away, such as. B. on a metallic housing. The capacity of this arrangement is so small that almost no charge carriers of the same name can be placed on the valve flap and support structure at a given voltage. In practice, electrostatic forces are therefore always attractive. The opening force for the microvalve is then, for example, a mechanical preload, e.g. B. by a resilient suspension of the valve flap, or a tilted mounting of the flap or a force by a suitable piezoelectric coating.

Bei dem Mikroventil 10 bestehen sowohl die Ventilklappe 16 als auch die Auflagestruktur 12 aus Silizium. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß auch die Auflagestruktur 12 be züglich der Ventilklappe 16 bewegt werden kann, je nach dem, welches der beiden Elemente fest bzw. elastisch gelagert ist.In the micro valve 10 , both the valve flap 16 and the support structure 12 are made of silicon. It is obvious to a person skilled in the art that the support structure 12 can also be moved with respect to the valve flap 16 , depending on which of the two elements is fixedly or elastically mounted.

Im Spannungs- bzw. drucklosen Zustand ist die Ventilklappe 16 einige Mikrometer von der Auflagestruktur 12 beabstandet, wodurch die Ventilöffnung 14 geöffnet ist.In the de-energized or depressurized state, the valve flap 16 is spaced a few micrometers from the support structure 12 , as a result of which the valve opening 14 is opened.

Das Mikroventil 10 wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung (nicht gezeigt) zwischen der Auflagestruktur 12 und der Ventilklappe 16 betätigt. Dabei fließen Ladungen auf die sich gegenüberliegenden Seiten der beiden Bauteile. Diese Ladungen ziehen sich gegenseitig an, wodurch die Ventilklap pe 16 zu der Auflagestruktur 12 hin bewegt wird. Für Fach leute ist es offensichtlich, daß es sich in Fig. 1 nur um eine schematische Ansicht handelt, da beispielsweise eine zwischen den beiden Komponenten 12 und 16 notwendige Isola tionsschicht zum Verhindern eines Ladungsflusses zwischen denselben nicht gezeigt ist.The microvalve 10 is actuated by applying an electrical voltage (not shown) between the support structure 12 and the valve flap 16 . Charges flow to the opposite sides of the two components. These charges attract each other, whereby the Ventilklap pe 16 is moved to the support structure 12 . It is obvious to those skilled in the art that it is only a schematic view in FIG. 1, since, for example, an insulation layer necessary between the two components 12 and 16 for preventing a charge flow between them is not shown.

Ein derartiges Mikroventil weist aufgrund des elektrischen Antriebsprinzips einen sehr geringen Abstand zwischen Ven tilklappe und Auflagestruktur auf. Dieser geringe Abstand zwischen der Ventilklappe und der Auflagestruktur beschränkt den Volumenstrom der Fluidströmung 18 durch die Ventilöff nung 14.Such a microvalve has a very small distance between the valve flap and the support structure due to the electrical drive principle. This small distance between the valve flap and the support structure limits the volume flow of the fluid flow 18 through the valve opening 14 .

Die Fluidkraft oder im Falle eines Gases als Fluid die pneu matische Kraft wirkt bei dem Mikroventil in Fig. 1 in Schließrichtung des Mikroventils 10, wodurch die Zuleitungen 20 zu der Ventilöffnung 14 bei geöffnetem Zustand des Mikro ventils 10 verkleinert werden, was wiederum die ungünstige Auswirkung hat, daß der Strömungswiderstand erhöht wird. In geschlossenem Zustand des Mikroventils 10 wirkt die pneuma tische Kraft auf die Ventilklappe 16 lediglich auf die Flä che der Ventilklappe 16, die der Ventilöffnung 14 gegenüber liegt. Ist die Querschnittsfläche der Ventilöffnung groß, so kann es zu einer Zerstörung der Ventilklappe 16 bei einem entsprechenden pneumatischen Druck kommen. Die Druckfestig keit des Mikroventils 10 kann daher durch Verkleinern der pneumatisch wirksamen Fläche erhöht werden. Bei einem glei chen pneumatischen Druck kann zum Erreichen einer gleichen Bruchfestigkeit dagegen die Dicke der Ventilklappe 16 ver ringert werden, wodurch eine weitere Miniaturisierung des Mikroventils 10 erreicht werden kann.The fluid force or in the case of a gas as a fluid, the pneu matic force acts on the micro-valve in Fig. 1 in the closing direction of the micro valve 10, whereby the leads are reduced 20 to the valve opening 14 in the opened state of the microvalve 10, which in turn adverse effect has that the flow resistance is increased. In the closed state of the microvalve 10, the pneumatic force on the valve flap 16 acts only on the surface of the valve flap 16 , which is opposite the valve opening 14 . If the cross-sectional area of the valve opening is large, the valve flap 16 can be destroyed at a corresponding pneumatic pressure. The Druckfestig speed of the microvalve 10 can therefore be increased by reducing the pneumatically effective area. At a same chen pneumatic pressure, however, the thickness of the valve flap 16 can be reduced ver to achieve the same breaking strength, whereby a further miniaturization of the microvalve 10 can be achieved.

Fig. 2A stellt ein Mikroventil 50a gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Eine Ven tilklappe 52 ist über einer Auflagestruktur 54 angeordnet. Die Auflagestruktur 54 weist eine Mehrzahl von Ventilöffnun gen 56 auf, durch die eine Fluidströmung 58, die durch die in Fig. 2A gezeichneten Pfeile schematisch dargestellt ist, fließen kann. Auf der der Ventilklappe 52 gegenüberliegenden Seite weist die Auflagestruktur 54 eine Ausnehmung auf, die einen Steg 60 der Auflagestruktur 54 definiert. Für Fachleu te ist es offensichtlich, daß es sich in Fig. 2A um einen Querschnitt handelt, der durch die Mitten der Mehrzahl von Ventilöffnungen 56 gelegt ist, derart, daß der Steg 60 in der Figur stückweise erscheint. Für Fachleute ist es jedoch offensichtlich, daß der Steg 60 der Auflagestruktur 54 ein flächiger Abschnitt mit im Vergleich zu den Randabschnitten der Auflagestruktur 54 geringerer Dicke ist. Ferner sei angemerkt, daß die Fig. 2A nicht maßstäblich bezüglich der Fig. 1, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik be schrieben wurde, dargestellt ist. Der Öffnungsquerschnitt der Ventilöffnung 14 von Fig. 1 soll nämlich der Fläche des Stegs 60, d. h. dem Abschnitt der Auflagestruktur 54 mit ge ringerer Dicke, entsprechen. Dadurch wird bei gleicher Größe der Mikroventile 10 von Fig. 1 und 50a von Fig. 2A der Strö mungsquerschnitt, d. h. das Produkt der Summe des Umfangs je der der Mehrzahl von Ventilöffnungen 56 mit dem Abstand zwi schen der Ventilklappe 52 und der Auflagestruktur 54, we sentlich erhöht, wohingegen die pneumatische wirksame Fläche nicht vergrößert wird. Anders ausgedrückt ist der Ventilöff nungsquerschnitt einer einzelnen Ventilöffnung 56 viel klei ner als der Ventilöffnungsquerschnitt der Ventilöffnung 14 von Fig. 1. Fig. 2A shows a micro valve 50 a according to a first example is from management of the present invention. A Ven tilklappe 52 is disposed on a support structure 54. The support structure 54 has a plurality of valve openings 56 through which a fluid flow 58 , which is schematically represented by the arrows drawn in FIG. 2A, can flow. On the side opposite the valve flap 52 , the support structure 54 has a recess which defines a web 60 of the support structure 54 . For those skilled in the art it is obvious that in Fig. 2A it is a cross section which is laid through the centers of the plurality of valve openings 56 , such that the web 60 appears piece by piece in the figure. However, it is obvious to a person skilled in the art that the web 60 of the support structure 54 is a flat section with a smaller thickness than the edge sections of the support structure 54 . It should also be noted that FIG. 2A is not drawn to scale with respect to FIG. 1, which was described in connection with the prior art. The opening cross section of the valve opening 14 of FIG. 1 should namely correspond to the area of the web 60 , ie the section of the support structure 54 with a smaller thickness. Thereby, the micro-valves 10 of FIG same size. 1 and 50 a of Fig. 2A, the Strö flow cross-section, the product of the sum of the circumference that is, each of the plurality of valve openings 56 with the distance rule Zvi of the valve flap 52 and the support structure 54, we significantly increased, whereas the pneumatic effective area is not increased. In other words, the valve opening cross section of a single valve opening 56 is much smaller than the valve opening cross section of the valve opening 14 of FIG. 1.

Der durch die Ausnehmung definierte Steg 60 in Fig. 2A ver kleinert wirksam die Länge der Ventilöffnungen 56, um sie im Rahmen der Stabilitätsanforderungen an die Auflagestruktur 54 für einen minimalen Strömungswiderstand zu optimieren. Die Ausnehmung in der Auflagestruktur 54, die ebenso wie die Ventilklappe 52 aus Silizium besteht, wird beispielsweise naßchemisch mittels KOH auf die geforderte Dicke des Stegs 60 vorgeätzt. Eine derzeit vorhandene Trockenätzung ist zur Herstellung der Ausnehmung nicht geeignet, da sie mit z. B. 300 µm zu dick ist. In dieser Membran, d. h. in dem Steg 60, werden dann viele Öffnungen beispielsweise mittels einer KOH-Ätzung oder durch Trockenätzung realisiert, da der Steg im wesentlichen dünner als 100 µm ist.The web 60 defined by the recess in FIG. 2A effectively reduces the length of the valve openings 56 in order to optimize them within the framework of the stability requirements for the support structure 54 for a minimal flow resistance. The recess in the support structure 54 , which, like the valve flap 52, is made of silicon, is, for example, wet-etched using KOH to the required thickness of the web 60 . An existing dry etching is not suitable for the production of the recess, since it is used with e.g. B. 300 microns is too thick. Many openings are then made in this membrane, ie in the web 60 , for example by means of KOH etching or dry etching, since the web is essentially thinner than 100 μm.

Würde nun beispielsweise die Fluidströmung 58 von Fig. 2A umgekehrt, damit sie der Fluidströmung 180 in Fig. 6 ent spricht, so würde das Mikroventil 50a aus Fig. 2A einen we sentlich niedrigeren Strömungswiderstand aufweisen, da die Länge der Ventilöffnungen 56 im Vergleich zu den Ventilöff nungen 140 durch die genannte Vorätzung der Silizium-Aufla gestruktur 54 wesentlich kürzer gemacht werden kann. Ferner entfällt bei dem Mikroventil 50a in Fig. 2A die aufwendige Verarbeitung von 2 Komponenten, da die Auflagestruktur 120 in Fig. 6 aus Glas gebildet ist, während die Ventilklappe 160 in Fig. 6 aus Silizium besteht.If, for example, the fluid flow 58 from FIG. 2A were reversed so that it speaks the fluid flow 180 in FIG. 6, the microvalve 50 a from FIG. 2A would have a considerably lower flow resistance since the length of the valve openings 56 compared to the valve openings 140 can be made considerably shorter by the above-mentioned etching of the silicon support structure 54 . Furthermore, the complex processing of 2 components is omitted for the micro valve 50 a in FIG. 2A, since the support structure 120 in FIG. 6 is formed from glass, while the valve flap 160 in FIG. 6 consists of silicon.

Fig. 2B zeigt eine weitere Möglichkeit, um das Mikroventil 50a von Fig. 2A strömungstechnisch zu verbessern. Gleiche Teile in Fig. 2B sowie in allen weiteren Figuren bezüglich Fig. 2A sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Un terschied zu Fig. 2A ist in Fig. 2B an der an die Ventil klappe 52 angrenzenden Seite der Auflagestruktur 54 um jede Ventilöffnung 56 herum eine Vertiefung 62 gebildet. Diese Vertiefung 62 wird von der Ventilöffnung 56 durch eine Dich tungskante 64 getrennt. Das in Fig. 2B gezeigte Mikroventil weist einen wesentlich niedrigeren Zuleitungswiderstand auf, da der Abstand zwischen der Ventilklappe 52 und der Auflage struktur 54 in der Vertiefung 62 vergrößert ist. Die Varian te nach Fig. 2B sorgt dennoch durch die Dichtungskante 64 für eine zuverlässige Steuerung der Fluidströmung 58. Ferner kann auf die Herstellung der Vertiefungen verzichtet werden und die Dichtungskante gewissermaßen als inverse Vertiefung z. B. durch Schichtabscheidung hergestellt werden. Im Ver gleich zur Höhe der Dichtungskante ist somit ebenfalls eine Vertiefung vorhanden. Fig. 2B shows another way to improve the flow of the microvalve 50 a of Fig. 2A. The same parts in FIG. 2B and in all the other figures with respect to FIG. 2A are denoted by the same reference symbols. In contrast to FIG. 2A, in FIG. 2B, a depression 62 is formed on the side of the support structure 54 adjacent to the valve flap 52 around each valve opening 56 . This recess 62 is separated from the valve opening 56 by a sealing edge 64 . The microvalve shown in Fig. 2B has a much lower supply resistance, since the distance between the valve flap 52 and the support structure 54 is increased in the recess 62 . The variant according to FIG. 2B nevertheless ensures reliable control of the fluid flow 58 through the sealing edge 64 . Furthermore, the production of the depressions can be dispensed with and the sealing edge, as it were, as an inverse depression, for. B. by layer deposition. In comparison to the height of the sealing edge, there is also a recess.

Im Gegensatz zu Fig. 2A weist das Mikroventil aus Fig. 2C eine Mehrzahl von Öffnungen 66 in der Ventilklappe 52 auf, die auch als Ventilklappenöffnungen bezeichnet werden. Durch Vorsehen der Ventilklappenöffnungen 66 in der Ventilklappe 52 ist es ebenfalls möglich, den Zuleitungswiderstand zu der Ventilöffnung 56 zu verringern, indem die Länge des Zulei tungswegs im Vergleich zu Fig. 2A verkürzt wird. Die Ven tilklappenöffnungen können entweder naßchemisch oder trocken geätzt werden, da die Dicke der Ventilklappe meistens klei ner als 100 µm ist. Zusammenfassend läßt sich anmerken, daß durch die Maßnahme, die in Fig. 2B gezeigt ist, d. h. die Vertiefungen 62, der Strömungsquerschnitt der Zuleitungen verkleinert wird, während in Fig. 2C die Länge der Zulei tungen zu der Ventilöffnung 56 reduziert werden.In contrast to FIG. 2A, the microvalve from FIG. 2C has a plurality of openings 66 in the valve flap 52 , which are also referred to as valve flap openings. By providing the valve flap openings 66 in the valve flap 52 , it is also possible to reduce the supply resistance to the valve opening 56 by shortening the length of the supply line compared to FIG. 2A. The valve flap openings can be etched either wet-chemically or dry, since the thickness of the valve flap is usually less than 100 µm. In summary, it can be noted that the measure shown in FIG. 2B, ie the depressions 62 , reduces the flow cross section of the feed lines, while in FIG. 2C the length of the feed lines to the valve opening 56 is reduced.

Fig. 3 zeigt ein Mikroventil 50b gemäß einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Mikroventil 50b weist gegenüber dem Mikroventil 50a einen minimalen Strömungswiderstand für die Fluidströmung 58 auf, indem die in den Fig. 2B und 2C beschriebenen Maßnahmen zur Verringe rung des Strömungswiderstandes in das Mikroventil 50a von Fig. 2A eingeführt werden. Die Ausführung der Ventilklappe 52 mit einer Mehrzahl von Ventilklappenöffnungen 66 versetzt zu der Mehrzahl von Ventilöffnungen 56 liefert einen maxima len Ventilöffnungsumfang im Vergleich zur gegebenen pneuma tischen Fläche. Das Vorsehen der Vertiefungen 62 zusammen mit den Dichtungskanten 64 verringert wirksam den Zulei tungswiderstand von der Ventilklappe 52 durch die Mehrzahl von Ventilöffnungen 56 der Auflagestruktur 54. Fig. 3 shows a micro valve 50 b according to a second embodiment of the present invention. The microvalve 50 b has to the micro valve 50 to a minimum flow resistance for the fluid flow 58, by the measures described in Figs. 2B and 2C to reduced copy tion of the flow resistance in the microvalve 50 a of FIG. Imported 2A. The design of the valve flap 52 with a plurality of valve flap openings 66 offset from the plurality of valve openings 56 provides a maximum valve opening circumference in comparison to the given pneumatic surface. The provision of the recesses 62 together with the sealing edges 64 effectively reduces the supply resistance from the valve flap 52 through the plurality of valve openings 56 of the support structure 54 .

Fig. 4A zeigt eine schematische Draufsicht auf die Auflage struktur 54, wobei die Vertiefungen sowie die Dichtungskan ten aus Klarheitsgründen weggelassen wurden. Die Auflage struktur von Fig. 3 ergibt sich aus einem Querschnitt ent lang der Linie I-I von Fig. 4A. Die Mehrzahl von Ventilöff nungen 56 sind hierbei mehrere rechteckige parallel zueinan der angeordnete Ventilöffnungen. Für Fachleute ist es jedoch offensichtlich, daß die Mehrzahl von Ventilöffnungen, wenn es notwendig ist, auch gekrümmte oder dreieckige Strukturen annehmen können. Fig. 4A shows a schematic plan view of the support structure 54, the depressions and the Dichtungskan th have been omitted for clarity. The support structure of FIG. 3 results from a cross section along line II of FIG. 4A. The plurality of valve openings 56 here are a plurality of rectangular valve openings arranged parallel to one another. However, it will be apparent to those skilled in the art that the plurality of valve openings can also take curved or triangular structures if necessary.

Fig. 4B zeigt eine weitere Modifikation der Auflagestruktur 54 von Fig. 4A. Um den aufaddierten Umfang aller Ventilöff nungen im Vergleich zur pneumatisch wirksamen Fläche noch weiter zu erhöhen, sind die rechteckigen Ventilöffnungen 56 von Fig. 4A in mehrere quadratische Ventilöffnungen 56 un terteilt worden. Es ergibt sich somit für die Auflagestruk tur 54 eine Art einer Siebstruktur. Fig. 3 kann also auch ein Querschnitt durch die Auflagestruktur 54 von Fig. 4B entlang der Linie II-II sein. Die Mehrzahl der Ventilöffnun gen 56 in Fig. 4B sind jedoch nicht auf quadratische Löcher beschränkt. Die Löcher können beispielsweise auch eine run de, ovale oder eine sonstige geeignete Form annehmen. An dieser Stelle sei noch einmal in Erinnerung gerufen, daß die Auflagestruktur 54, die als ein Chip realisiert wird, vorge ätzt werden muß, damit sich der Steg 60, der wie bereits an gemerkt wurde, ein flächiger Steg ist, gebildet wird. Da durch kann die Länge der Ventilöffnungen auf ein Minimum eingestellt werden. FIG. 4B shows a further modification of the support structure 54 from FIG. 4A. In order to further increase the added volume of all valve openings compared to the pneumatically effective area, the rectangular valve openings 56 of FIG. 4A have been divided into a plurality of square valve openings 56 un. This results in a kind of sieve structure for the support structure 54 . Fig. 3 thus also a cross-section through the support structure 54 of Fig. 4B can be taken along the line II-II. However, the majority of the valve openings 56 in FIG. 4B are not limited to square holes. For example, the holes can also take a round, oval or other suitable shape. At this point, it should be recalled that the support structure 54 , which is implemented as a chip, must be pre-etched so that the web 60 , which, as has already been noted, is a flat web. As a result, the length of the valve openings can be set to a minimum.

Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Ventil klappe 52, wobei die versetzte Anordnung der Ventilklappen öffnungen 66 bezüglich der Ventilöffnungen 56, die in Fig. 5 schraffiert dargestellt sind, sichtbar ist. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß Fig. 5 eine schematische Ansicht ist, da bei einer realen Draufsicht die Ventilöffnungen 56 nicht zu sehen wären, da sie durch die Ventilklappe 52 ver deckt sind. Aus Klarheitsgründen sind in Fig. 5 weder die Vertiefungen 62 um die Ventilöffnungen 56 herum sowie die Dichtungskanten 64, die die Vertiefungen 62 von den Ventil öffnungen 56 abgrenzen, gezeichnet. Die sogenannten "ver setzten Siebgeometrien" des regelmäßigen oder unregelmäßigen Arrays von Ventilöffnungen 56 gegenüber dem regelmäßigen oder unregelmäßigen Array von Ventilklappenöffnungen 66 schaffen somit ein Mikroventil 50b, bei dem der Fluiddurch fluß bei minimal wirkender pneumatischer Fläche optimiert ist. Somit kann ein Fluid nach Öffnung der Ventilklappe 52, d. h. durch Erzeugen eines Abstands von der Ventilklappe 52 zu der Auflagestruktur 54, durch alle Ventilklappenöffnungen 66 hindurch auf minimalem Weg durch die Anordnung strömen. Fig. 5 shows a schematic plan view of the valve flap 52 , the staggered arrangement of the valve flap openings 66 with respect to the valve openings 56 , which are shown hatched in Fig. 5, is visible. It is obvious to a person skilled in the art that FIG. 5 is a schematic view, since the valve openings 56 would not be visible in a real plan view, since they are covered by the valve flap 52 . For reasons of clarity, neither the depressions 62 around the valve openings 56 nor the sealing edges 64 which delimit the depressions 62 from the valve openings 56 are drawn in FIG. 5. The so-called "offset sieve geometries" of the regular or irregular array of valve openings 56 compared to the regular or irregular array of valve flap openings 66 thus create a microvalve 50 b, in which the fluid flow is optimized with a minimally acting pneumatic surface. Thus, after opening the valve flap 52 , ie by creating a distance from the valve flap 52 to the support structure 54 , a fluid can flow through all valve flap openings 66 through the arrangement in a minimal way.

Claims

1. A method for producing a microvalve ( 50 a; 50 b), with the following steps:
Providing a valve flap ( 52 );
Providing a support structure ( 54 ) made of silicon;
wet chemical etching of a recess in the support structure ( 54 ) to obtain an area ( 60 ) of reduced thickness of the support structure ( 54 );
Etching a plurality of valve openings ( 56 ) into the region ( 60 ) of reduced thickness of the support structure ( 54 ); and
Arranging the support structure ( 54 ) and the valve flap ( 52 ) to one another such that the valve flap is movable with respect to the support structure, and that the valve flap closes the plurality of valve openings ( 56 ) in a first position and in a second position from the A plurality of valve openings ( 56 ) is spaced apart in such a way that a flow cross section, which is defined by the plurality of valve openings and the valve flap, is largely determined by the distance of the valve flap from the support structure.

2.Micro valve ( 50 a; 50 b) with:
a valve flap ( 52 ); and
a silicon-containing support structure ( 54 ), which on its side opposite the valve flap ( 52 ) has a recess which defines an area ( 60 ) of reduced thickness of the support structure ( 54 ) through which a plurality of valve openings ( 56 ) extend,
wherein the valve flap ( 52 ) is movable with respect to the support structure ( 54 ) and closes the plurality of valve openings ( 56 ) in a first position and is spaced in a second position from the plurality of valve openings ( 56 ) such that a flow cross section , which is defined by the plurality of valve openings ( 56 ) and the valve flap ( 52 ), is significantly determined by the distance of the valve flap from the support structure, and
wherein the recess of the valve flap (52) opposite side of the support structure tapers (54) opposite to the valve flap (52) side of the region (60) with reduced thickness toward.

3. microvalve ( 50 b) according to claim 2, wherein the valve flap ( 52 ) has a plurality of valve flap openings ( 66 ), the openings to the Ventilöff ( 56 ) in the support structure ( 54 ) are offset, such that a fluid flow ( 58 ) through the microvalve ( 50 b) can be controlled.

4. microvalve ( 50 a; 50 b) according to claim 2 or 3, in which around the valve openings ( 56 ) in the support structure ( 54 ) around depressions ( 62 ) or elevations are formed, wherein the depressions ( 62 ) by you processing edges ( 64 ) are separated from the valve openings ( 56 ), while the elevations are the sealing edges ( 64 ).

5. Micro valve ( 50 a; 50 b) according to one of claims 2 to 4, in which the valve flap ( 52 ) also consists of silicon.

6. Micro valve according to one of claims 2 to 5, wherein the recess is made by means of a KOH etching ago, while the valve openings ( 56 ) and the valve flap openings ( 66 ) are etched by wet chemical etching or dry chemical etching.

7. Micro valve ( 50 a; 50 b) according to one of claims 2 to 6, wherein the plurality of valve openings ( 56 ) is a plurality of substantially parallel rectangles.

8. microvalve ( 50 a; 50 b) according to one of claims 2 to 6, wherein the plurality of valve openings ( 56 ) is a plurality of openings arranged in a regular or irregular array.

9. microvalve ( 50 a; 50 b) according to claim 8, wherein the valve openings ( 56 ) are rectangular, round or oval.

10. Micro valve according to one of claims 3 to 9, wherein the plurality of valve flap openings ( 66 ) are arranged and shaped offset to the respective valve openings ( 56 ) in the support structure ( 54 ), such that when the valve flap ( 52 ) is closed, none There is a passage between the valve flap side and the support structure side.