DE19909069C2 - Mikroventilanordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikroven­ tilanordnung und insbesondere auf eine Mikroventilanordnung, die einen mikromechanisch gefertigten Mikroventilchip in einem Gehäuse aufweist.

Ein Beispiel für eine bekannte gehäuste Mikroventilanordnung ist in Fig. 10 gezeigt. Bei der bekannten Mikroventilanord­ nung ist ein mikromechanisch gefertigtes Mikroventil aus ei­ nem Ventilgrundkörper 2, der aufgrund der mikromechanischen Herstellung desselben als Grundkörperchip bezeichnet werden kann, und einer Chipplatte 4, die ebenfalls als Ventilplat­ tenchip bezeichnet werden kann, gebildet. Der Ventilgrund­ körperchip 2 und der Ventilplattenchip 4 sind voneinander isoliert, um einen Kurzschluß zwischen denselben zu verhin­ dern. Der Ventilgrundkörperchip 2 und der Ventilplattenchip 4 sind umfangsmäßig über eine Abstandsschicht 8 verbunden. In dem Ventilplattenchip 4 ist eine bewegliche Ventilplatte 4 gebildet. Ferner sind in den Aufwendungsbereichen der Ven­ tilplatte Luftdurchführungen 10 in dem Ventilplattenchip 4 gebildet. In dem Ventilgrundkörperchip ist eine Ventilöff­ nung 12 strukturiert.

Das derart ausgebildete Mikroventil, das aufgrund seines Aufbaus aus zwei Chips als Mikroventilchip bezeichnet werden kann, ist in ein Gehäuse eingebracht, das einen Gehäuseboden 16, der üblicherweise ein Keramikträger ist, und einen Ge­ häusedeckel 18 aufweist. Der Ventilgrundkörperchip 2 ist flächig auf den Gehäuseboden 16 aufgebracht, derart, daß die Ventilöffnung 12 in dem Ventilgrundkörperchip 2 in fluidi­ scher Verbindung mit einer Fluidauslaßöffnung 20, die durch den Gehäuseboden 16 gebildet ist, ist. In dem Gehäusedeckel 18 ist ein Fluideinlaß 22 auf die dargestellte Art und Weise gebildet. Der Gehäusehoden 16 und der Gehäusedeckel 18 sind an Bereichen 24 derart miteinander verbunden, daß eine fluidfeste Dichtung zwischen denselben bewirkt wird.

Zwei Kontaktstifte 26 (es ist nur einer dargestellt), die den Gehäuseboden 16 und/oder den Gehäusedeckel 18 durchdrin­ gen, wobei dazwischen jeweils eine Dichtung 28 angeordnet ist, sind vorgesehen, um eine elektrische Betätigung des Mi­ kroventils zu ermöglichen. Zu diesem Zweck sind auf dem Ge­ häuseboden 16 Kontaktelektroden vorgesehen, von denen eine elektrisch-leitfähig mit dem Gehäusegrundkörperchip 2 ver­ bunden ist, während eine zweite über einen Drahtbond 30 mit dem Ventilplattenchip verbunden ist. Die beiden Kontaktstif­ te sind mit den Elektroden verbunden.

Wird nun eine elektrische Spannung zwischen dem Ventilgrund­ körperchip 2 und dem Ventilplattenchip 4 angelegt, bewegt sich infolge elektrostatischer Kräfte die Ventilplatte zu der Ventilöffnung 12 hin und verschließt dieselbe. Wird die elektrische Spannung entfernt, bewegt sich die Ventilplatte aufgrund der Rückstellkraft, die aufgrund der elastischen Aufhängung vorliegt, in die in Fig. 10 dargestellte Stellung zurück.

Bei dem in Fig. 10 dargestellten gehäusten Mikroventil sind auf dem Gehäuseboden zwei Elektroden angebracht. Das Mikro­ ventil wird auf eine Elektrode mit Leitkleber aufgeklebt. Der zweite Kontakt ist über einen Drahtbond zwischen Ventil­ plattenchip und der zweiten Elektrode auf dem Gehäuseboden realisiert. Ferner sind zwei Kontaktstifte, wobei in Fig. 10 nur einer gezeigt ist, vorzugsweise durch den Gehäusedeckel nach außen geführt. Der Druckanschluß des Ventils, d. h. der Einlaß desselben, ist in den Gehäusedeckel integriert. Der Eingangsdruck liegt an der Ventilplattenseite des Ventils an, während der Auslaß in den Keramikträger integriert ist.

Das in Fig. 10 dargestellte Mikroventil stellt ein sogenann­ tes 2/2-Wegeventil dar, da durch dasselbe ein Einlaß und ein Auslaß fluidmäßig verbunden oder getrennt werden können. Ein Ausführungsbeispiel für ein sogenanntes 3/2-Wegeventil ist in Fig. 11 gezeigt. Hierbei sind in Fig. 11 lediglich der Mikroventilchip, der aus drei Teilchips gebildet ist, und ein Teil des Gehäusebodens dargestellt.

Das elektrostatische 3/2-Wegeventil besteht aus drei Sili­ ziumlagen, einem ersten Ventilgrundkörperchip 32, einem Ven­ tilplattenchip 34 und einem zweiten Ventilgrundkörperchip 36. Der erste Ventilgrundkörperchip 32 ist mittels eines elektrisch-leitfähigen Klebers flächig auf den Gehäuseboden 38 aufgebracht, derart, daß eine Ventilöffnung 40 in dem er­ sten Ventilgrundkörperchip 32 mit einer Fluidauslaßöffnung 42 in dem Gehäuseboden 38 fluidmäßig verbunden ist. Die Ven­ tilöffnung 40 kann durch eine in dem Ventilplattenchip 34 strukturierte Ventilplatte 44 verschlossen werden. In dem ersten Ventilgrundkörperchip 32 ist ferner eine Fluiddurch­ laßöffnung 46 gebildet, die mit einer zweiten Fluidauslaß­ öffnung 48 in dem Gehäuseboden 38 kommuniziert.

Auf der dem ersten Ventilgrundkörper 32 gegenüberliegenden Seite des Ventilplattenchips 34 ist eine weitere struktu­ rierte Siliziumschicht angeordnet, die als zweiter Ventil­ grundkörperchip 36 bezeichnet werden kann. In diesem zweiten Ventilgrundkörperchip 36 ist ebenfalls eine Ventilöffnung 50 gegenüberliegend zu der Ventilöffnung 40 in dem ersten Ven­ tilgrundkörperchip vorgesehen, derart, daß die Ventilöffnun­ gen 40 und 50 durch die Ventilplatte 44 des Ventilplatten­ chips 34 abwechselnd verschlossen und offengelassen werden können.

Wie in Fig. 11 zu sehen ist, ist bei der dargestellten Strukturierung des Ventilplattenchips 34 keine Abstands­ schicht erforderlich, wobei die Siliziumlagen 32 und 34 elektrisch voneinander isoliert 54 sind. Zwischen dem Ven­ tilplattenchip 34 und dem Ventilgrundkörperchip 32 kann je­ doch auch eine Abstandsschicht vorhanden sein.

Eine Betätigung des in Fig. 11 dargestellten 3/2-Wegeventils erfolgt, wie schematisch dargestellt ist, durch das Anlegen einer Spannung zwischen dem ersten Ventilgrundkörperchip 32 und dem Ventilplattenchip 34.

Das in Fig. 11 dargestellte 3/2-Wegeventil besitzt drei Flu­ idanschlüsse, wobei in Fig. 11 lediglich zwei Fluidanschlüs­ se 42 und 48 gezeigt sind, während der dritte Anschluß, der vorzugsweise durch den Gehäusedeckel verläuft und in fluid­ mäßiger Verbindung mit der Ventilöffnung 50, die in dem zweiten Ventilgrundkörperchip 36 gebildet ist, ist, nicht dargestellt ist. Durch das Betätigen des in Fig. 11 darge­ stellten Ventils kann beispielsweise ein Arbeitsvolumen, das an dem Anschluß 48 angeschlossen ist, be- bzw. entlüftet werden. Das in Fig. 11 dargestellte Ventil ist üblicherweise in ein Gehäuse eingebracht, das dem in Fig. 10 für ein 2/2- Wegeventil dargestellten entspricht. Wiederum erfolgt die elektrische Kontaktierung mittels elektrisch-leitfähigen Klebers und mittels Drahtbonden, um einen elektrischen An­ schluß für den Ventilplattenchip zu realisieren.

Der oben beschriebene Aufbau bekannter gehäuster Mikroven­ tile ist zum einen aufwendig hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung des jeweiligen Ventilplattenchips, die über Drahtbonds erfolgen muß. Zum anderen erfordert die beschrie­ bene Häusung jeweils eine abdichtende Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen sowie eine Dichtung für die jewei­ ligen herausgeführten Kontaktstifte.

Aus der EP-A-0497534 ist die Häusung eines piezoresistiven Drucksensors mit Hilfe elastomerer Dichtungen bekannt. Der Drucksensor besteht aus einem Halbleiterchip, in dem eine Membran gebildet ist, und einer Trägerglasplatte, auf der der Halbleiterchip angebracht ist. Dieser Drucksensor ist zwischengelegt zwischen zwei elastomere Dichtungen in einem Gehäuse angebracht. Eine der elastomeren Dichtungen weist elektrisch-leitfähige Bereiche auf, um eine Stromversorgung einer auf der Membran angeordneten Widerstandsbrückenschal­ tung zur Druckerfassung zu ermöglichen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kostengünstige Mikroventilanordnung mit einem einfachen Auf­ bau zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Mikroventilanordnung gemäß An­ spruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Mikroventilanordnung mit einem ein Mikroventil definierenden Mikroventilchip, der in einem Gehäuseabschnitt mit einer Fluiddurchlaßöffnung derart angeordnet ist, daß ein Fluidfluß durch die Fluid­ durchlaßöffnung durch das Mikroventil steuerbar ist. Eine isotrop elektrisch-leitfähige Elastomerdichtung ist an einer umfangsmäßigen Berührungslinie zwischen dem Gehäuseabschnitt und dem Mikroventilabschnitt vorgesehen, um eine fluidfeste Abdichtung zu liefern. Die isotrop elektrisch-leitfähige Dichtung ist ferner in elektrischem Kontakt mit dem Mikro­ ventilchip, derart, daß über dieselbe eine Betätigungsspan­ nung an das Mikroventil anlegbar ist.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Er­ findung sind zwei Gehäusehälften vorgesehen, in denen das Mikroventil gehäust ist, wobei jeweils an den umfangsmäßigen Berührungslinien zwischen den beiden Gehäusehälften und dem Mikroventilchip eine isotrop elektrisch-leitfähige Elasto­ merdichtung angeordnet ist, wobei jede der isotrop elek­ trisch-leitfähigen Dichtungen mit einem unterschiedlichen Bereich des Mikroventils elektrisch-leitfähig verbunden ist, so daß die Betätigungsspannung für das Mikroventil lediglich über die elektrisch-leitfähigen Elastomerdichtungen anlegbar ist.

Durch die Verwendung von isotrop elektrisch-leitfähigen Ela­ stomerdichtungen, um zum einen einen elektrischen Kontakt zu schaffen und zum anderen eine pneumatische Abdichtung zu realisieren, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine ein­ fache Montage gehäuster Mikroventile, wobei kostengünstige Gehäuseteile verwendet werden können. Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich sowohl für 2/2-Wegeventile als auch für 3/2-Wegeventile.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung wird der Ventilchip zwischen zwei elektrisch-leitfä­ hige elastomere Dichtungen geklemmt, wobei die Dichtungen zum einen das Abdichten der Einlaßseite und der Auslaßseite übernehmen und zum anderen zur Realisierung der elektrischen Kontaktierung des Ventils dienen. Die Dichtungen werden zu­ sammen mit dem Ventil in ein Gehäuse montiert, in dem elek­ trisch-leitfähige Kontaktplättchen mit Durchführungen nach außen integriert sind. Diese Durchführungen nach außen kön­ nen beispielsweise als Anlötösen für Kabel ausgeführt wer­ den.

Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht zweier Gehäusehälften für eine Mikroventilanordnung gemäß einem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zweier Dichtungen und eines Mikroventilchips für eine Mikroventilanord­ nung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform ei­ ner Gehäusehälfte für eine erfindungsgemäße Mikro­ ventilanordnung;

Fig. 4 ein elektrisch-leitfähiges Kontaktplättchen für eine erfindungsgemäße Mikroventilanordnung;

Fig. 5a eine schematische perspektivische Ansicht einer Dichtung für eine erfindungsgemäße Mikroventilan­ ordnung;

Fig. 5b eine schematische Querschnittansicht der Dichtung;

Fig. 6 eine schematische Querschnittansicht eines alter­ nativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsge­ mäßen Mikroventilanordnung;

Fig. 7 eine schematische Querschnittansicht zur Veran­ schaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikroventilanordnung;

Fig. 8 und 9 schematische Querschnittansichten zur Veran­ schaulichung der vorteilhaften erfindungsgemäße Verwendung von Elastomerdichtungen;

Fig. 10 eine schematische Querschnittansicht einer bekann­ ten Mikroventilanordnung; und

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer weiteren be­ kannten Mikroventilanordnung.

Zunächst wird bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 5 ein bevor­ zugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei vorzugsweise iden­ tische Gehäusehälften 100, 102 vorgesehen, die beispiels­ weise durch Spritzguß kostengünstig hergestellt werden kön­ nen. Jede Gehäusehälfte besitzt einen Fluidanschluß 104, um beispielsweise einen flexiblen Schlauch oder dergleichen an denselben anzuschließen. Der Fluidanschluß 104 ist über eine Durchlaßöffnung durch die Gehäusewand mit dem Gehäuseinneren in fluidischer Verbindung. Das Gehäuseinnere ist strukturiert, um eine Auflage für ein Kontaktteil 106 zu bilden, das in Fig. 4 dargestellt ist. Das Kontaktteil weist vor­ zugsweise einen vorstehenden Abschnitt 108 auf, der durch eine Kontaktdurchführung in der Gehäusewand nach außen ge­ führt ist. Dieser vorstehende Abschnitt 108 kann vorzugs­ weise eine Anlötöse 110 für ein Kabel aufweisen, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Wie am besten in Fig. 4 zu sehen ist, besitzt das plättchenartige Kontaktteil eine Ummantelungs­ fläche 112, die auf der in dem Gehäuseinneren vorgesehenen Auflagefläche aufliegt. Diese Ummantelungsfläche 112 umgibt eine Öffnung 114, die einen Fluidfluß ermöglicht. Ein sol­ ches Kontaktteil 106 ist in beiden Gehäusehälften 100 und 102 vorgesehen, wobei dieses Kontaktteil vorzugsweise wäh­ rend der Spritzgußherstellung der Gehäuseteile integriert, d. h. umspritzt wird. Alternativ kann das Kontaktteil 106 nach dem Herstellen der Gehäusehälften eingelegt werden.

Auf diesem Kontaktteil 106 wird nun eine isotrop elek­ trisch-leitfähige Elastomerdichtung 116, Fig. 2, angeordnet. Dadurch entsteht ein elektrisch-leitfähiger Kontakt zwischen der Elastomerdichtung 116 und der oberseitigen Kontaktfläche 118 des Kontaktteils 106. Der äußere Umfang der Elastomer­ dichtung 116 ist an den inneren Umfang der Gehäusehälfte 102 angepaßt. Die Elastomerdichtung 116 besitzt einen ausgenom­ menen mittleren Bereich 120, um einen Fluidfluß zu ermög­ lichen. Auf der Elastomerdichtung wird nachfolgend der Ven­ tilchip 122 angeordnet, der beispielsweise identisch zu dem Ventilchip sein kann, der bezugnehmend auf Fig. 10 beschrie­ ben wurde. Auf diesem Ventilchip 122 wird dann eine zweite isotrop elektrisch-leitfähige Elastomerdichtung 124 ange­ ordnet, die wiederum einen ausgenommenen mittleren Bereich besitzt. Nachfolgend wird die obere Gehäusehälfte 100 mit der unteren Gehäusehälfte 102 verbunden, um die Anordnung aus Dichtungen und Ventilchip zu häusen. Die Gehäusehälften 100 und 102 werden vorzugsweise derart verbunden, daß ein Druck auf die Elastomerdichtungen 116 und 124 ausgeübt wird. Dadurch werden die äußeren Umrandungen der Elastomerdich­ tungen, die an die inneren Gehäusewände anliegen, nach außen gegen die Gehäusewände gedrückt, um eine sichere Fluiddich­ tung zu gewährleisten. Dies wird nachfolgend bezugnehmend auf die Fig. 8 und 9 näher erläutert.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau stellt eine der Elasto­ merdichtungen eine elektrisch-leitfähige Verbindung zu dem Ventilgrundkörperchip her, während die andere Elastomerdich­ tung eine elektrisch-leitfähige Verbindung zu dem Ventil­ plattenchip herstellt. Die Elastomerdichtungen sind durch den zwischen denselben angeordneten Ventilchip voneinander elektrisch isoliert. Somit kann über die Kontaktteile 106 eine geeignete Betätigungsspannung zwischen dem Ventilgrund­ körperchip und dem Ventilplattenchip angelegt werden, um das Ventil zu betätigen.

Fig. 3 zeigt detaillierter eine weitere mögliche Ausfüh­ rungsform für eine Gehäusehälfte für eine erfindungsgemäße Mikroventilanordnung. Im Gegensatz zu den in Fig. 1 darge­ stellten Gehäusehälften, bei denen die Fluidanschlüsse 104 seitlich herausgeführt sind, ist bei der in Fig. 3 darge­ stellten Gehäusehälfte ein Fluidanschluß 128 auf der Unter­ seite herausgeführt, d. h. senkrecht zu der Mikroventilchip­ ebene. In Fig. 3 sind die Auflageflächen 130 als Auflageflä­ che für ein Kontaktteil 106 dargestellt, das nachfolgend eingebracht wird, derart, daß der vorstehende Abschnitt 108 desselben durch die Kontaktdurchführung 132 nach außen vor­ steht. Hierbei sei erwähnt, daß das Kontaktteil 106 wiederum während der Herstellung der Gehäusehälfte integriert werden kann. In Fig. 3 sind ferner Verbindungsabschnitte 134 der Gehäusehälfte dargestellt, die mit komplementären Verbin­ dungsabschnitten einer zweiten Gehäusehälfte (nicht darge­ stellt) zusammenpassen, um beispielsweise eine Klemmverbin­ dung mit der zweiten Gehäusehälfte zu realisieren. Es ist jedoch offensichtlich, daß beliebige geeignete Verbindungs­ einrichtungen zum Verbinden der beiden Gehäusehälften ver­ wendet werden können.

Eine mögliche Ausführungsform für eine Profil-Elastomerdichtung, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in den Fig. 5a) und 5b) dargestellt. Hierbei ist anzumerken, daß bei der Ausführung der isotrop elektrisch- leitfähigen Elastomerdichtungen, die vorzugsweise als Leit­ gummidichtungen ausgestaltet sein können, der Druckbereich zu berücksichtigen ist, bei dem das Ventil eingesetzt werden soll. Die in den Fig. 5a) und 5b) dargestellte Profildich­ tung eignet sich beispielsweise für einen Druckbereich bis zu 1 bar. Die Dichtung ist so ausgelegt, daß das Mikroventil nur durch den Randbereich 136 der Dichtung geklemmt wird. Innerhalb des Randbereichs weist die Dichtung eine Ausneh­ mung auf, um zu gewährleisten, daß die Ventilplatte durch die Dichtung nicht berührt wird und somit die Funktion des Ventils gewährleistet ist. In den Fig. 5a) und 5b) ist fer­ ner die Durchlaßöffnung 140 dargestellt, um einen Fluidfluß von und zu dem Mikroventil zu ermöglichen. In der in Fig. 5b) dargestellten Querschnittansicht der in Fig. 5a) per­ spektivisch dargestellten Dichtung ist die Unterseite 142 zur Auflage auf ein Kontaktteil bestimmt, während die Ober­ seite 144 im Randbereich 136 derselben einen Kontakt zu dem Mikroventilchip herstellt.

Bei der Häusung von Ventilen für einen höheren Druckbereich kann es erforderlich sein, auf der Druckeinlaßseite und der Druckauslaßseite des Mikroventils unterschiedliche Dichtun­ gen zu verwenden. Beispielsweise kann auf der Druckeinlaß­ seite die in Fig. 5 gezeigte Dichtung verwendet werden, während auf der Druckauslaßseite aufgrund des hohen Drucks eine modifizierte Dichtung zur Anwendung kommt, die ein Durchbiegen des Ventilgrundkörpers, das zu einem Ausfall des Ventils führen würde, verhindert. Jedoch kann ein solches Durchbiegen des Ventilgrundkörpers alternativ durch andere Maßnahmen verhindert werden, beispielsweise durch die Ver­ stärkung des Ventilgrundkörpers mit einer Pyrexplatte. Fer­ ner kann die an der Auslaßseite angeordnete Gehäusehälfte derart ausgestaltet sein, daß dieselbe eine Abstützung für den Ventilgrundkörper liefert.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikroventilanordnung, die mit lediglich einer isotrop elek­ trisch-leitfähigen Elastomerdichtung auskommt, ist in Fig. 6 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Ge­ häuse aus einem strukturierten unteren Gehäuseteil 150 und einem vorzugsweise als Platte ausgebildeten Gehäusedeckel 152. Das strukturierte untere Gehäuseteil 150 bildet ein Lager für einen Mikroventilchip 154. Eine elektrische Kon­ taktierung des Mikroventilchips 154 auf der Unterseite ist dabei allein durch einen Druck des Mikroventilchips 154 auf eine Metallfläche (nicht dargestellt) auf dem unteren Gehäu­ seteil 150 realisierbar. In dem unteren Gehäuseteil 150 ist eine Auslaßöffnung 156 vorgesehen, die in fluidmäßiger Kom­ munikation mit der Ventilöffnung (nicht dargestellt) des Mi­ kroventilchips 154 ist.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das untere Ge­ häuseteil 150 ferner strukturiert, um ein umfangsmäßig um­ laufendes Auflager für eine isotrop elektrisch-leitfähige Elastomerdichtung 158 zu bilden. Dabei weist dieses Dich­ tungslager einen parallel zu den Hauptoberflächen des Mikro­ ventilchips 154 verlaufenden Bereich 160 und einen senkrecht zu denselben verlaufenden Bereich 162 auf. Der parallele Be­ reich 160 ist vorzugsweise bündig mit der Oberseite des Mi­ kroventilchips 154.

In Fig. 6 ist die Mikroventilanordnung in einem nicht voll­ ständig zusammengebauten Zustand dargestellt, wobei der Ge­ häusedeckel 152 von dem unteren Gehäuseteil 150 entfernt ist. Dieser Gehäusedeckel 152 wird dann auf das untere Ge­ häuseteil aufgebracht, so daß ein Druck in Richtung der Pfeile 164 (der in der Figur linke Pfeil ist etwas verdeckt) auf die Elastomerdichtung 158 ausgeübt wird, wobei dieser Druck durch die Kompression der Elastomerdichtung in einen nach außen gerichteten Druck in Richtung der Pfeile 166 umgesetzt wird. Dadurch wird die Elastomerdichtung gegen den senkrechten Bereich 162 des Dichtungslagers gedrückt. Somit kann sowohl gegen den parallelen Bereich 160 durch den nach unten gerichteten Druck 164 als auch gegen den senkrechten Bereich 162 des Dichtungslagers durch den nach außen gerich­ teten Druck 166 eine sichere Abdichtung erreicht werden. Ein Druck in Richtung der Pfeile 166 wird insbesondere auch durch das Anlegen eines pneumatischen Drucks an die Öffnung 168 erzeugt. Dieser Druck ist in der Regel sogar größer als der Druck, der indirekt durch die Kompression durch den Druck entlang der Pfeile 164 erzeugt wird.

In dem Gehäusedeckel 152 ist eine Durchlaßöffnung 168 vorge­ sehen, die den Druckeinlaß darstellt. Bei der in Fig. 6 dar­ gestellten Mikroventilanordnung ist ein Durchbiegen des Ven­ tilgrundkörperchips durch die Ausgestaltung des unteren Ge­ häuseteils 150 verhindert. Neben der Verwendung einer Me­ tallfläche zur Kontaktierung der Unterseite des Mikroventil­ chips kann hierzu auch eine elektrisch-leitfähige Elastomer­ schicht minimaler Dicke verwendet werden, die jedoch keiner­ lei Dichtwirkung besitzt.

Fig. 6 zeigt ferner zwei Kontakte 169a und 169b, durch die der Mikroventilchip 154 von außen kontaktierbar ist. Die Kontakte können wieder durch elektrisch-leitfähige Kontakt­ plättchen realisiert werden, die entweder eingelegt oder umspritzt werden, wie es beschrieben worden ist. Obwohl sich in Fig. 6 der obere Kontaktstift 169a lediglich bis zum mittigen Ende der Dichtung erstreckt, sind andere Längen ebensogut möglich, solange der Kontaktstift in elektrischem Kontakt mit der Dichtung ist. Fig. 6 zeigt also deutlich, daß keine Drahtbonds zum Kontaktieren erforderlich sind. Die beiden Kontakte sind durch eine Isolationsschicht innerhalb des Ventilchips elektrisch voneinander isoliert.

In Fig. 7 ist eine schematische Querschnittansicht einer er­ findungsgemäßen Mikroventilanordnung für ein 3/2-Wegeventil gezeigt. Der aus drei Ebenen, vorzugsweise aus drei Sili­ ziumschichten, bestehende Mikroventilchip 181 ist dabei gegenüber dem in Fig. 11 dargestellten Chip für die erfin­ dungsgemäße Mikroventilanordnung modifiziert. So weist der erste Ventilgrundkörper 180 lediglich die Ventilöffnung 182, nicht jedoch die in Fig. 11 dargestellte Auslaßöffnung 46 auf. Der Ventilplattenchip 184 ist gegenüber dem in Fig. 11 dargestellten Ventilplattenchip modifiziert, um eine latera­ le Auslaßöffnung 186 zwischen dem ersten Ventilgrundkörper­ chip 180 und dem Ventilplattenchip 184 zu definieren. Der zweite Ventilgrundkörperchip 188 entspricht dem in Fig. 11 dargestellten zweiten Ventilgrundkörperchip 36. Im übrigen entspricht die Ausgestaltung des Mikroventilchips hinsicht­ lich der Ventilplatte 190, der Aufhängungen derselben, der Isolationsschicht mit Ausnahme des Bereichs an der lateralen Auslaßöffnung 186 sowie der Betätigung der Ventilplatte dem bezugnehmend auf Fig. 11 beschriebenen Mikroventilchip.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten 3/2-Wegeventil müssen drei Fluidanschlüsse, ein mit der Ventilöffnung 182 verbundener Fluidanschluß 182a, ein mit der lateralen Auslaßöffnung 186 fluidmäßig verbundener Fluidanschluß, in Fig. 7 lediglich schematisch als Durchlaßöffnung in einer Gehäusewand 194 als 192 gezeigt, und ein mit der Ventilöffnung 196 in dem zweiten Ventilgrundkörperchip verbundener Fluidanschluß 196a gegeneinander abgedichtet werden. Dazu werden erfindungsge­ mäß zwei umfangsmäßig umlaufende isotrop elektrisch-leitfä­ hige Elastomerdichtungen 198 verwendet, zwischen die, ähn­ lich wie bei dem bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 beschrie­ benen Ausführungsbeispiel, das Mikroventil geklemmt wird. In Fig. 7 sind zur Vereinfachung der Darstellung lediglich schematisch äußere Gehäusewände 194 dargestellt. Wie bereits oben erwähnt wurde, besitzt die äußere Gehäusewand 194 eine Öffnung 192, an der ein Fluidanschluß für die Auslaßöffnung 186 angeordnet sein kann.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Mikroventil können während des Betriebs an der Auslaßöffnung 186, bzw. an dem in flui­ discher Verbindung mit derselben angeordneten Fluidanschluß Drücke auftreten, die maximal gleich groß sind wie der Ein­ gangsdruck an der Ventilöffnung 196. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, die entsprechend der Darstellung in Fig. 7 untere Dichtung zur Innenseite hin durch einen Anschlag 200 abzustützen. Dieser Anschlag kann vorzugsweise durch eine entsprechende Strukturierung der unteren Gehäusehälfte rea­ lisiert sein, beispielsweise durch einen umfangsmäßig umlau­ fenden Vorsprung auf dem Gehäuseboden der unteren Gehäuse­ hälfte.

In Fig. 7 sind ferner zwei Kontakte 183a und 183b gezeigt, durch die der obere Ventilgrundkörperchip 188 und der Ven­ tilplattenchip 184 einerseits und der Ventilgrundkörperchip 180 andererseits von außen kontaktierbar sind. In der Figur erstrecken sich die Kontakte bis zur Öffnung 196. Dies ist jedoch optional. Nötig ist nur, daß die Kontakte die Dich­ tungen elektrisch kontaktieren. Die Kontakte selbst können wieder Plättchen sein, die entweder eingelegt oder umspritzt werden.

Alternativ von dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel könnte die seitliche Auslaßöffnung auch neben der unteren Auslaßöffnung 182, z. B. links bezüglich derselben, angeord­ net sein. In diesem Falle wäre das Gehäuse seitlich ge­ schlossen, die Auslaßöffnung 186 bzw. die Durchlaßöffnung in der Gehäusewand wären dann nicht mehr vorhanden. Die zweite Öffnung ist in diesem Falle dann etwa so angeordnet, wie es in Fig. 11 bei 48 gezeigt ist.

Bezugnehmend auf die Fig. 8 und 9 wird nunmehr die mit der erfindungsgemäßen Mikroventilanordnung erreichte zuverläs­ sige Abdichtung zwischen Einlaß und Auslaßöffnung eines Mi­ kroventils näher erläutert. In Fig. 8 sind schematisch ein Mikroventilchip 154 und äußere Gehäuseseitenwände 202 dar­ gestellt. Ferner sind schematisch eine untere isotrop elek­ trisch-leitfähige Elastomerdichtung 116 und eine obere iso­ trop elektrisch-leitfähige Elastomerdichtung 124 gezeigt. Wie bereits oben erläutert wurde, werden eine obere und eine untere Gehäusehälfte vorzugsweise derart zusammengefügt, daß auf die obere Elastomerdichtung 124 ein Druck in der Rich­ tung der Pfeile 164 wirkt, während auf die untere Elastomerdichtung ein Druck in Richtung der Pfeile 204 wirkt. Diese Drücke, die durch die Vorpressung der Elastomerdichtungen durch die parallel zu dem Mikroventilchip 154 verlaufenden Abschnitte des Gehäuses erreicht werden, werden durch die Kompression der Elastomerdichtungen in einen Druck nach außen, der in Richtung der Pfeile 166 wirkt, umgesetzt. Fer­ ner kann ein über den Fluidanschluß 196a anliegender pneuma­ tischer Druck die Dichtungen nach außen drücken. Durch diese Drücke kann zum einen eine gute elektrische Kontaktierung zwischen jeweiligen Bereichen der Mikroventilchips 154 und den elektrisch-leitfähigen Elastomerdichtungen und zum ande­ ren eine zuverlässige Abdichtung zwischen Gehäusewand und Elastomerdichtung und zwischen Mikroventilchip und Elasto­ merdichtung erreicht werden. Die Umsetzung des Drucks in Richtung der Pfeile 166 kann durch eine geeignete Formgebung der Elastormerdichtungen unterstützt werden, beispielsweise durch eine schräg verlaufende Innenkante der Elastomerdich­ tungen, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, derart, daß die Brei­ te der Elastomerdichtung auf der dem Mikroventilchip 154 zu­ gewandten Seite geringer ist als auf der von demselben abge­ wandten Seite.

Eine gleichartige schematische Darstellung zur Veranschauli­ chung der Drücke bei einem 3/2-Wege-Mikroventil ist in Fig. 9 gezeigt. Die in Fig. 9 auf der Oberseite eines Mikroven­ tilchips 206, der den in Fig. 7 dargestellten Aufbau aufwei­ sen kann, angeordnete Elastomerdichtung 124 kann dabei iden­ tisch zu den bezugnehmend auf Fig. 8 beschriebenen Dichtun­ gen sein. Jedoch ist auf der Unterseite, wie oben bezugneh­ mend auf Fig. 7 beschrieben wurde, ein Anschlag 200 vorgese­ hen, gegen den die Innenseite der unteren Elastomerdichtung 198 anliegt. Wenn an der Auslaßöffnung 192 wie oben be­ schrieben ein hoher Druck anliegt, wirkt dieser Druck auf die untere Dichtung 198 in der Richtung des Pfeils 208, so daß diese gegen den Anschlag 200 gedrückt wird, so daß hier eine innen gestützte Dichtung erfolgt. Daneben kann die un­ tere Dichtung 198 mit einer Vorpressung zwischen die äußere Gehäusewand 194, den Anschlag 200 und die untere Gehäusewand (nicht gezeigt) eingebracht sein, so daß neben der in Fig. 9 gezeigten innen gestützten Dichtung durch die Vorpressung überdies eine außen gestützte Dichtung erfolgt.

Der bezugnehmend auf die Fig. 7 und 9 beschriebene Anschlag 200, der zur Innenstützung der Dichtung 198 dient, kann fer­ ner ausgestaltet sein, um eine Durchbiegung des ersten Ven­ tilgrundkörperchips 180 (Fig. 7) zu verhindern. Überdies kann, wie oben beschrieben wurde, eine Durchbiegung des Ven­ tilgrundkörperchips verhindert werden, indem derselbe mit einer Pyrexverstärkung versehen wird. Um eine Vorpressung der Elastomerdichtungen und eine definierte, nach unten ge­ richtete Kraft auf den Mikroventilchip zu erzeugen, können entweder unterschiedliche Elastomergeometrien für die untere und die obere Dichtung bei gleichem Einbauraum, unterschied­ liche Einbauraum-Geometrien bei gleicher Elastomergeometrie oder unterschiedliche Elastomerhärten bei gleichen Geometri­ en der Dichtungen und der Einbauräume verwendet werden. Überdies ist es möglich, gemischte Varianten der oben ge­ nannten Alternativen zu verwenden.

Die vorliegende Erfindung schafft somit durch die Verwendung von isotrop elektrisch-leitfähigen Elastomerdichtungen Mi­ kroventilanordnungen, die einfach montierbar sind und einen einfachen Aufbau aufweisen. Somit sind die erfindungsgemäßen Mikroventilanordnungen kostengünstig und materialsparend herzustellen. Ferner kann die vorliegende Erfindung sowohl auf 2/2-Wege-Mikroventile als auch auf 3/2-Wege-Mikroventile angewendet werden. Obwohl oben bezugnehmend auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lediglich elektrostatische Mikroventile beschrieben wurden, ist es offensichtlich, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Arten elektrisch betätigter Mikroventile, bei­ spielsweise solche mit einem piezoelektrischen oder thermi­ schen Antrieb, verwendet werden können. Ferner eignen sich die beschriebenen Mikroventilanordnungen insbesondere auch für einen Aufbau, bei dem mehrere Ventile angeordnet sind, um seriell bzw. parallel betrieben zu werden.

Claims (15)

1. Mikroventilanordnung mit
einem Miktoventilchip (122, 154, 181, 206), der ein Mi­ kroventil definiert;
einem Gehäuseabschnitt (100, 102, 150, 194) mit zumin­ dest einer Fluiddurchlaßöffnung (104, 156, 182, 186, 196), in dem der Mikroventilchip (122, 154, 206) derart angeordnet ist, daß ein Fluidfluß durch die zumindest eine Fluiddurchlaßöffnung (104, 156, 182, 186, 196) durch das Mikroventil steuerbar ist; und
einer isotrop elektrisch-leitfähigen Elastomerdichtung (116, 158, 198) zum Herstellen einer fluidfesten Ab­ dichtung an einer umfangsmäßigen Berührungslinie zwi­ schen dem Gehäuseabschnitt (100, 102, 150) und dem Mi­ kroventilchip (122, 154, 181, 206), wobei die isotrop elektrisch-leitfähige Dichtung (116, 158, 198) in elek­ trischem Kontakt zu dem Mikroventilchip (122, 154, 181, 206) ist, derart, daß über dieselbe eine Betätigungs­ spannung an das Mikroventil anlegbar ist.

2. Mikroventilanordnung nach Anspruch 1, bei der der Ge­ häuseabschnitt eine erste Gehäusehälfte (102) mit einer ersten Durchlaßöffnung (104) ist, wobei der Mikroven­ tilchip (122) durch die erste Gehäusehälfte (102) und eine zweite Gehäusehälfte (100), die eine zweite Durch­ laßöffnung (104) aufweist, derart gehäust ist, daß durch das Mikroventil ein Fluidfluß durch die erste und die zweite Durchlaßöffnung steuerbar ist.

3. Mikroventilanordnung nach Anspruch 2, bei der eine zweite isotrop elektrisch-leitfähige Elastomerdichtung (124) zum Liefern einer fluidfesten Abdichtung an einer umfangsmäßigen Berührungslinie zwischen der zweiten Ge­ häusehälfte (100) und dem Mikroventilchip (122) vorgesehen ist, die mit dem Mikroventilchip in elektrischem Kontakt ist, derart, daß über die erste und die zweite isotrop elektrisch-leitfähige Dichtung (116, 124) eine Betätigungsspannung an das Mikroventil anlegbar ist.

4. Mikroventilanordnung nach Anspruch 3, bei der die Ge­ häusehälften (100, 102) jeweils parallel zu dem Mikro­ ventilchip (122, 206) verlaufende Abschnitte und dazu senkrechte Abschnitte aufweisen, wobei die isotrop elektrisch-leitfähigen Dichtungen (116, 124, 198) zwi­ schen den parallel verlaufenden Abschnitten und dem Mikroventilchip (122, 206) anliegend an die senkrechten Abschnitte angeordnet sind, und bei der die Gehäuse­ hälften (100, 102) derart verbunden sind, daß die pa­ rallel verlaufenden Abschnitte der Gehäusehälften (100, 102) einen Druck auf die Dichtungen (116, 124, 198) ausüben, durch den, und/oder durch einen anliegenden pneumatischen Druck, die Dichtungen (116, 124, 198) ge­ gen die senkrechten Abschnitte gedrückt werden.

5. Mikroventilanordnung nach Anspruch 4, bei der zumindest eine Gehäusehälfte einen umfangsmäßigen inneren An­ schlag (200) aufweist, gegen den die von den senkrech­ ten Abschnitten der Gehäusehälfte abgewandte Seite der Dichtung (198) anliegt.

6. Mikroventilanordnung nach Anspruch 1, bei der der Ge­ häuseabschnitt (150) einen Gehäuseboden, in dem die Fluiddurchlaßöffnung (156) gebildet ist, und einen um­ fangsmäßig um den Gehäuseboden verlaufenden Wandab­ schnitt aufweist, derart, daß der Gehäuseboden und der Wandabschnitt ein Ventillager definieren, in dem der Mikroventilchip (154) angeordnet ist, wobei ein Gehäu­ sedeckel (152) mit einer Fluiddurchlaßöffnung (168) durch denselben auf den Wandabschnitt aufgebracht ist, derart, daß der Mikroventilchip (154) gehäust ist, wo­ bei die isotrop elektrisch-leitfähige Dichtung (158) auf der dem Gehäusedeckel (152) zugewandten Seite des Mikroventilchips (154) derart vorgesehen ist, daß die­ selbe die Grenzfläche zwischen dem Gehäuseabschnitt (150) und dem Gehäusedeckel (152) fluidfest abdichtet.

7. Mikroventilanordnung nach Anspruch 6, bei der die iso­ trop elektrisch-leitfähige Dichtung (158) gegen den umlaufenden Wandabschnitt anliegt und bei der der Ge­ häusedeckel (152) derart aufgebracht ist, daß derselbe einen Druck auf die isotrop elektrisch-leitfähige Dich­ tung (158) ausübt, der bewirkt, daß die Dichtung (158) gegen den Wandabschnitt gedrückt wird.

8. Mikroventilanordnung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei der der Wandabschnitt ein umfangsmäßig umlaufendes Dichtungslager mit einem zu dem Gehäuseboden parallelen (160) und einem zu dem Gehäuseboden senkrechten (162) Abschnitt aufweist, wobei der parallele Abschnitt (160) bündig mit der von dem Gehäuseboden abgewandten Seite des Mikroventilchips (154) ist.

9. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der der Mikroventilchip einen Ventilgrundkörperchip aufweist und bei der das Ventillager derart ausgebildet ist, daß eine Durchbiegung des zumindest einen Ventil­ grundkörperchips verhindert ist.

10. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der der Mikroventilchip (181) ein Mikroventil de­ finiert, das durch einen Ventilplattenchip (184), in dem eine Ventilplatte (190) strukturiert ist, und einen ersten und einen zweiten Ventilgrundkörperchip (180, 188), durch die jeweils ein Ventildurchlaß (182, 196) gebildet ist und die auf beiden Seiten des Ventilplat­ tenchips (184) angeordnet sind, gebildet ist, wobei die Ventilplatte (190) in jeder von zwei Endstellungen je­ weils einen Ventildurchlaß (182, 196) verschließt und einen offen läßt, wobei in dem durch die erste und die zweite Gehäusehälfte gebildeten Gehäuse eine dritte Durchlaßöffnung (192) vorgesehen ist, die eine seitli­ che Wand des Gehäuses durchdringt, derart, daß abhängig von der Stellung der Ventilplatte (190) entweder die erste oder die zweite Durchlaßöffnung (182, 196) mit der dritten Durchlaßöffnung (192) in fluidmäßiger Ver­ bindung ist.

11. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der der Mikroventilchip (181) ein Mikroventil de­ finiert, das durch einen Ventilplattenchip (184), in dem eine Ventilplatte (190) strukturiert ist, und einen ersten und einen zweiten Ventilgrundkörperchip (180, 188), durch die jeweils ein Ventildurchlaß (182, 196) gebildet ist und die auf beiden Seiten des Ventilplat­ tenchips (184) angeordnet sind, gebildet ist, wobei die Ventilplatte (190) in jeder von zwei Endstellungen je­ weils einen Ventildurchlaß (182, 196) verschließt und einen offen läßt, wobei in dem durch die erste und die zweite Gehäusehälfte gebildeten Gehäuse eine dritte Durchlaßöffnung vorgesehen ist, die eine bezüglich der Ventilplatte (190) im wesentlichen parallele Wand des Gehäuses neben einem, jedoch von demselben getrennt, der Ventildurchlässe (182, 186) durchdringt, derart, daß abhängig von der Stellung der Ventilplatte (190) entweder die erste oder die zweite Durchlaßöffnung (182, 196) mit der dritten Durchlaßöffnung (192) in fluidmäßiger Verbindung ist.

12. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der Mikroventilchip zumindest einen Ventil­ grundkörperchip (2, 180) aufweist, der eine Verstär­ kungsschicht zur Verhinderung eines Durchbiegens des­ selben aufweist.

13. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5 oder nach Anspruch 10, bei der der Mikroventilchip zu­ mindest einen Ventilgrundkörperchip aufweist, und bei der zumindest eine Gehäusehälfte eine Abstützungseinrichtung aufweist, gegen die der dieser Gehäusehälfte zugewandte Ventilgrundkörperchip (2, 180) anliegt, zum Verhindern eines Durchbiegens des Ventilchips.

14. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der das Mikroventil ein elektrostatisch betätigba­ res Mikroventil ist.

15. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der die Elastomerdichtung (116, 158, 198) zwei Teildichtungen aufweist, wobei die erste Teildichtung (198) zwischen dem ersten Ventilgrundkörperchip (180) und dem Gehäuseabschnitt (194) angeordnet ist, wobei die zweite Teildichtung (198) zwischen dem zweiten Ventilgrundkörperchip (188) und dem Gehäuseabschnitt (194) angeordnet ist, und wobei die Geometrien der bei­ den Teildichtungen im wesentlichen identisch sind, und wobei die beiden Teildichtungen unterschiedliche Härten aufweisen, derart, daß eine definierte Kraft auf den Ventilchip (181) erzeugt wird.