WO1994004832A1 - Micro-miniaturizable valve - Google Patents

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WO1994004832A1
WO1994004832A1 PCT/EP1993/002269 EP9302269W WO9404832A1 WO 1994004832 A1 WO1994004832 A1 WO 1994004832A1 EP 9302269 W EP9302269 W EP 9302269W WO 9404832 A1 WO9404832 A1 WO 9404832A1
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valve
pressure
semi
compensation chamber
active
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PCT/EP1993/002269
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Roland Zengerle
Axel Richter
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the present invention relates to a microminiaturisable valve.
  • Known pneumatic valves and hydraulic valves consist of a large number of components, which typically consist of plastics and metals.
  • booster valves which can switch a high pressure by means of a comparatively low pneumatic control pressure
  • considerable sizes and thus also large volumes result in known valves, which in the known valves have comparatively long switching times and a conduct behavior that is unsatisfactory in dynamic terms.
  • valve structures and micropumps have also been manufactured using methods of semiconductor technology.
  • the specialist publication Sensors and Actuatores 20 (1989), 163 to 169 shows a microvalve made of silicon by means of a photolithographic method, which is arranged on a silicon wafer with a through hole for the fluid to be controlled, this valve structure having one comprises movable valve body, which is arranged by means of radially extending arms which merge into a fastening ring, above the through hole.
  • the through hole is closed by a piezoelectric actuating element.
  • an electrostatically actuable silicon microvalve which comprises a base part with an inlet opening, which converges conically to an outlet opening, above which an elastic closure plate made of a dielectric is arranged at a short distance. Both the elastic closure plate and The dielectric region below this sealing plate has electrode plates for the electrostatic opening and closing of the microvalve thus formed.
  • the flow modulation curve of such a microvalve as a function of the control voltage shows a strong hysteresis.
  • this known microvalve has a high holding force, that is to say in its closed state Resists even a high pressure difference of approx. 100 mbar, it is not able to operate at high fluid flow velocities and pressure differences of more than 150 mbar in its open position by applying an el electrical control signals to be closed again. Closing is practically only possible if the fluid flow through which the microvalve flows has essentially decreased to zero.
  • the present invention has for its object to provide a microvalve that can be manufactured using the methods of micro-mechanics, has a short response time and improved dynamic behavior and can also switch high and low pressures on and off .
  • the valve comprises a pressure compensation chamber and two semi-active valves which are in fluid flow connection with the pressure compensation chamber.
  • a first of the semi-active valves is arranged between the pressure compensation chamber and a first fluid line in such a way that it counteracts a pressure in the first fluid line which is higher than that in the pressure compensation chamber, is stable in its closed state by applying a first voltage to electrically conductive areas of this first semi-active valve.
  • a second one of the semi-active valves is arranged between the pressure compensation chamber and a second fluid line in such a way that it counteracts a pressure in the pressure compensation chamber that is higher than that in the fluid line by applying a second voltage to conductive areas of the second semi-active valve can be kept in its closed state.
  • the flow through the valve from the first fluid line into the second fluid line can be controlled as desired by alternately switching off the voltages applied to the two semi-active valves.
  • a valve piston is arranged in a manner that can be acted upon by the pressure of the pressure compensation chamber and can be placed against a valve seat in dependence on the pressure in this pressure compensation chamber in order to control a fluid connection between a third and fourth fluid line Way to open and close.
  • a control pressure can be applied to the first fluid line and the second fluid line can be used to vent the pressure compensation chamber.
  • the pressure in the pressure compensation chamber can be set to a selectable pressure level between the control pressure and the venting pressure in the first or second fluid line, so that this can be done by suitable electrical control of the two semi-active valves, the fluid connection between the third and fourth fluid lines can be opened and closed as desired in a controllable manner.
  • the invention enables corresponding microminiaturisable valve an amplification effect in that with a comparatively low control pressure in the first fluid line, comparatively high pressures in the third and fourth fluid lines can be controlled.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a first embodiment of the microminiaturisable valve according to the invention
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a semi-active valve which can be used in the micro-miniaturizable valve according to the invention
  • 3a shows a second to fifth embodiment of the up to 3d semi-active microvalve which can be used in the valve according to the invention
  • FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 1 of a second embodiment of the micro-miniaturizable micro-valve according to the invention
  • FIG. 5 shows a further representation corresponding to FIG. 1 of a third embodiment of the microminiaturisable valve according to the invention
  • FIG. 6 shows a further representation corresponding to FIG. 1 of a fourth embodiment of the microminiaturizable according to the invention Valves;
  • FIG. 7 shows a further representation corresponding to FIG. 1 of a fifth embodiment of the microminiaturizable valve according to the invention.
  • FIG. 8 shows a fifth embodiment of the microminiaturizable valve according to the invention.
  • the first exemplary embodiment of a microminiaturized valve shown there which is designated in its entirety by the reference number 1, comprises three essentially plate-shaped bodies K1, K2 which are arranged one above the other and firmly connected to one another , K3.
  • the three bodies K1, K2, K3 are formed by silicon wafers.
  • the first and second bodies K1, K2 are connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the third body K3 is electrically insulated from the second body K2. This electrical insulation is preferably implemented in that the third body K3 is covered over its entire surface with an insulation layer on its side facing the second body K2.
  • the insulation layer can consist of silicon oxide or silicon nitride.
  • the second and third bodies K2, K3 are preferably only very slightly or not at all spaced from one another.
  • these two bodies K2, K3 are connected by anodic bonding via an electrically insulating pyrex intermediate layer. It is also possible to glue the two bodies K2, K3 laterally in a flat arrangement.
  • the first and / or the second body K1, K2 are structured by means of photolithographic etching processes in such a way that they define a pressure compensation chamber 2 with one another.
  • the pressure compensation chamber 2 is molded into the first body K1 by etching.
  • the first body K 1 can also be designed as a flat plate if the pressure compensation chamber 2 is etched into the side of the second body K 2 facing the first body K 1.
  • fluid lines L1, L2, L3, L4 are fastened to the third body K3 on its side facing away from the second body K2.
  • the fluid lines can be attached using a suitable adhesive.
  • the entire valve can also be fitted into a special housing, which establishes both the connection of the electrical connections and the connection to the fluid connections.
  • the first semi-active valve 3 is arranged such that this has a pressure in the first fluid line L1, which is higher than that in the Pressure compensation chamber 2, by applying a first voltage UI to electrically conductive areas (cf. FIG. 2) of the valve, can be kept in a closed state.
  • the second semi-active valve 4 is arranged in the opposite manner with respect to the installation position of the first semi-active valve 3 in such a way that it presses against the pressure in the pressure compensation chamber 2, which is higher than that in the second fluid line L2, by applying a second voltage U2 to conductive Areas (see FIG. 2) of the second valve can be kept in a closed state.
  • the first and the second semi-active valves 3, 4 each have a movable valve region, which is designed here as a valve flap 5, which has an opening 6 in an adjacent, fixed one ⁇ covering surface area 7 of the respective adjacent body K1 or K2.
  • the second and third bodies K2, K3 are made of insulation layers 9, 10 ⁇ m. give .
  • the second body K2 has on its fixed surface area 7 facing the third body K3 in the area of the opening 6 a first electrode in the form of a metallization 11.
  • the valve flap 5 has, at least on its side opposite the fixed surface area 7 of the second body K2, a second electrode which is preferably arranged outside the insulation layer 10 and which can likewise be a metallization.
  • the control voltage UI, U2 is applied to these two electrodes 11, 12, with which the valve flap 5 can be held electrostatically in a position sealing against the opening 6.
  • the first semi-active valve 3 differs from the second semi-active valve 4 just described only in that it is formed in the reverse position by the second and third bodies K2, K3, the body K2 thus forming a valve flap 13, while the third Body K3 defines the opposite opening 14.
  • the second body K2 has a recess 15 which extends from its one main surface to almost its other main surface to form a membrane 16, the central part of which preferably forms a valve piston 17 surrounded by the recess 15.
  • the valve piston 17 is resiliently suspended by the membrane 16.
  • the third body K3 has a central through opening 18 opposite to the valve piston 17, as a result of which the region of the body K3 surrounding the through opening 18, which is adjacent to the valve piston 17, defines a valve seat 19.
  • the third body K3 has a further through-opening 19 which extends from the third fluid line L3 to the recess 15 in the second body K2.
  • the control pressure pl there is a venting pressure p4 in the second fluid line L2
  • a supply air pressure p2 prevails in the third fluid line L3, while there is an exhaust air pressure p3 in the fourth fluid line L4.
  • a vessel, the pressure of which is to be controlled by valve 1, can be connected to the fourth fluid line.
  • el denotes the relative dielectric constant of the insulator medium and d the thickness of the dielectric.
  • electrostatic pressures in the range of a few hundred mbar can be generated at voltages around 30 volts.
  • the flap 5 can be kept closed by applying a voltage to an overpressure on the side of the opening 6 until there is a balance of forces. The following applies:
  • the electrostatic pressure of a few hundred milibars can block significantly higher pneumatic pressure differences (pl-p4).
  • the flap 5 bends away from the fixed surface area 7, so that a fluid (air or an insulating hydraulic medium) can pass through the semi-active valve 3, 4.
  • the pressure compensation chamber 2 can be vented or brought to the lower pressure level p4 within the second fluid line L2. After the pressure equalization has taken place, this semi-active valve 4 can be closed again by applying the voltage U2, whereupon the cycle can begin again.
  • the volume of the pressure compensation chamber 2 should be as small as possible. In order to keep the valve 1 closed against the counter pressure, no electrical power is required, since power is only consumed during the switching process.
  • valve piston 17 becomes on the valve seat 19 of the exhaust air passage opening 18 pressed so that the pneumatic valve 1 is closed.
  • the pressure in the pressure compensation chamber 2 is reduced from the pressure pl to the pressure p4.
  • the valve piston 17 is deflected upwards by the pressure difference from the piston underside and piston top. Now the third and fourth fluid lines L3, L4 are connected to one another so that the valve 1 is open.
  • the pressure in the fluid lines L3 and L4 can in each case be constant, so that a specific, stationary fluid flow can be switched with the valve. If this operating case is present, no time-variable pressures are necessary for the calculation of the control pressure Pl, and the valve can be switched by switching the pressure in the pressure compensation chamber between the control pressure Pl and the venting pressure P4 by means of the two semi-active valves.
  • a closed container can be connected to the fluid line L4, in which the pressure increases from the initial pressure P3 to the higher final pressure P2 through the valve described above becomes.
  • the pressure in one of the two fluid lines L3 or L4 is thus variable over time, as is the pressure flow.
  • a second valve is therefore necessary.
  • the supply air line L3 of the second valve is connected to the container and the container can be vented again by opening the second valve. The initial state has thus been restored.
  • the variable pressures in the fluid lines L3 and L4 must be taken into account for the size of the control pressure, which must close the respective valves again.
  • the simple logic element shown in FIG. 1 can be operated as a simple switch in which the control pressure p 1 and the supply air pressure p 2 are identical. or operate as an amplifier element, in which one can switch a large supply air pressure p2 with a low control pressure pl.
  • a minimum switching pressure pl mj _ n is required to switch the valve. The following applies:
  • a ⁇ one is limited to an area A 3 smaller than A ] ⁇ , from which it can be seen from the above equation that the control pressure pl min must always be greater than the exhaust air pressure p3.
  • the minimum control pressure pl min can be significantly lower than the supply air pressure p2 to be switched by suitable selection of the areas A lf A 3 , which results in the amplification function described results.
  • the semi-active valves 3, 4 are not limited to the shape shown in FIG. 2.
  • 3a to 3d show variants of semi-active valves in which the embodiment shown in FIG. 3a has a valve flap 5 which lies smoothly against the fixed surface area 7.
  • a bar (not shown) clamped on two sides can be used.
  • the fixed surface area 7 can have support webs 20 which are fixed by corresponding surface recesses 21 and against which the valve flap 5 rests. With this configuration, the risk of contamination can be reduced and a more favorable flow resistance of the semi-active valve can be achieved.
  • the lowering of the surface recesses 21 should, however, not be more than 1 ⁇ m in order not to reduce the electrostatic pressure that can be generated too much.
  • a membrane 22 which can include a central membrane reinforcement 23.
  • openings 24 in the membrane will be arranged at a distance from the opening 6 in the counter body.
  • a surface recess 25 can also be provided in this membrane-like embodiment of the movable valve region.
  • FIG. 4 A second embodiment of the valve 1 is shown in FIG. 4. Parts which correspond to the embodiment in FIG. 1 are identified by the same reference numerals, so that their repeated description can be omitted.
  • the recess 15 ' has an enlarged lateral extent, as a result of which the lateral extent of the valve piston 17' is correspondingly reduced. This results in wider membrane areas 16 '.
  • the membrane 16 ′′ is set back against the main surface of the second body K2 facing the first body K1 by a surface recess 26.
  • the recess 15 ′′ which surrounds the valve piston 17 ′′, is made with a smaller depth.
  • the third body K3 has an annular recess 28 in the region of the valve seat 19, which defines a narrow support edge 27 for the valve piston 17 '.
  • This narrow support edge 27 not only reduces the susceptibility of the valve 1 to contamination, but also results in a clear definition of the area A 2 over which the pressure p2 acts, in contrast to the area A 3 over which the pressure p3 acts.
  • the areas A v A 2 , A 3 defined in this way, the balance of forces which acts on the valve piston 17 'can be drawn up as a function of the pressures pl, p2, p3 and p4 and the areas mentioned.
  • control pressure pl and the ventilation pressure p4 must meet the following criteria:
  • the third fluid line L3 is provided for the supply air, while the fourth fluid line L4 is used for the exhaust air. Furthermore, for reasons of space, area A2 is generally significantly larger than area A3. In this case there is an even more favorable operating behavior of the valve 1 according to the invention if the supply air is supplied through the fourth fluid line L4 and the third fluid line L3 is used as an exhaust air line. In this case, the ratios of the areas A 2 and A 3 to one another are higher, with the ratios remaining unchanged Reinforcing effect, ie the switchability of a higher supply air pressure in the fourth fluid line L4 based on the control pressure pl.
  • FIG. 7 shows a further modification of the valve according to the invention, in which, in turn, parts that are the same or comparable with the preceding exemplary embodiments are identified by the same or similar reference numerals.
  • This embodiment comprises four bodies KO, K1, K2, K3, of which the third and fourth bodies K2, K3 fix together the two semi-active valves 3, 4, to which the supply air line L1 and the exhaust air line L2 adjoin.
  • the pressure compensation chamber 2 is defined by the cavity between the second and third bodies K 1, K 2 and adjoins a membrane region 29 of the second body K 1, this membrane region 29 forming a valve piston 30 on its side facing away from the pressure compensation chamber 2.
  • the valve piston 30 is opposite a support edge 31 of a valve seat 32, which is formed within the first body KO by a corresponding ring recess 33.
  • the third and fourth fluid lines L3, L4 are connected to the outer surface of the first body KO and, as is also evident from the description of the exemplary embodiments explained above, can be connected to or separated from one another depending on the position of the membrane 29 which in turn depends on the pressure in the pressure compensation chamber 2 that can be controlled by the two semi-active valves 3, 4.
  • this configuration of the valve according to the invention requires an additional layer KO compared to the previously described exemplary embodiments, it is classified as technologically more favorable.
  • the third and fourth layers K2, K3 only have to be optimized with regard to the implementation of the semi-active valves 3, 4 with regard to the choice of technological steps for valve implementation, while the other two layers or bodies KO, Kl have to be optimized the choice of process steps only have to be optimized for the implementation of the diaphragm function and valve seat function.
  • the separation of the functions of the semi-active valves or the membrane enables a higher degree of freedom in the selection of the process parameters.
  • This valve according to the invention is a simple switch for a pressure p1 prevailing in the supply air line L1 compared to a pressure p2 prevailing in the exhaust air line L2 which is lower than the pressure p1 to be switched.
  • the third and fourth fluid lines and the membrane and valve piston structure within the second body K2 are omitted.
  • the pressure in the pressure chamber 2 can be switched between the supply pressure pl and the exhaust air pressure p2 by means of the two semi-active valves 3, 4, by opening one of the two semi-active valves 3, 4 by switching off its control voltage UI, U2 while the other semi-active valve remains closed by applying its control voltage UI, U2.
  • the structure shown in Fig. 8 is only suitable as a pneumatic valve. It can be used as a hydraulic valve if the volume of the pressure compensation chamber 2 can be varied, for example by an elastic membrane on the outwardly facing surface of the first body K 1, so that the pressure compensation chamber can accommodate a variable hydraulic volume.
  • the membrane can form the part of a pump which has a pump chamber adjacent to the elastic membrane.
  • the membrane can also be connected to the piston of a pump structure.
  • valves according to the invention are preferably implemented in silicon, for the purposes of the invention other materials that are suitable for microstructuring can also be used.

Abstract

A micro-miniaturizable valve has a pressure compensating chamber (2), a first semi-active valve (3) arranged between the pressure compensation chamber (2) and a first fluid line (L1) and a second semi-active valve (4) arranged between the pressure compensation chamber (2) and a second fluid line (L2).

Description

Mikrominiaturisierbares Ventil Micro-miniaturizable valve
BeschreibuncrDescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrominiaturisier¬ bares Ventil.The present invention relates to a microminiaturisable valve.
Bekannte pneumatische Ventile und hydraulische Ventile be¬ stehen aus einer Vielzahl von Komponenten, die typischer¬ weise aus Kunststoffen und Metallen bestehen. Insbesondere bei sogenannten Verstärkerventilen, die mittels eines ver¬ gleichsweise geringen pneumatischen Steuerdruckes einen ho¬ hen Druck schalten können, ergeben sich bei bekannten Ven¬ tilen erhebliche Baugrößen und somit auch hohe Volumina, die bei den bekannten Ventilen zu vergleichsweise langen Schalt¬ zeiten und einem in dynamischer Hinsicht nicht zufrieden¬ stellenden Verhalten führen.Known pneumatic valves and hydraulic valves consist of a large number of components, which typically consist of plastics and metals. Particularly in the case of so-called booster valves, which can switch a high pressure by means of a comparatively low pneumatic control pressure, considerable sizes and thus also large volumes result in known valves, which in the known valves have comparatively long switching times and a conduct behavior that is unsatisfactory in dynamic terms.
Seit einiger Zeit werden Ventilstrukturen und Mikropumpen auch mit Methoden der Halbleitertechnologie hergestellt. So zeigt beispielsweise die Fachveröffentlichung Sensors und Actuatores 20 (1989) , 163 bis 169 ein mittels Photolitho¬ graphischer Verfahren aus Silizium hergestelltes Mikroven- til, das auf einem Siliziumwafer mit einem Durchgangsloch für das zu steuerende Fluid angeordnet ist, wobei diese Ven¬ tilstruktur einen beweglichen Ventilkörper umfaßt, der mit¬ tels radial verlaufender Arme, die in einen Befestigungsring übergehen, über dem Durchgangsloch angeordnet ist. Ein Schließen des Durchgangsloches erfolgt durch ein piezoelek¬ trisches Betätigungselement.For some time, valve structures and micropumps have also been manufactured using methods of semiconductor technology. For example, the specialist publication Sensors and Actuatores 20 (1989), 163 to 169 shows a microvalve made of silicon by means of a photolithographic method, which is arranged on a silicon wafer with a through hole for the fluid to be controlled, this valve structure having one comprises movable valve body, which is arranged by means of radially extending arms which merge into a fastening ring, above the through hole. The through hole is closed by a piezoelectric actuating element.
Aus der Fachveröffentlichung Proceedings of IEEE, MEMS-90, 11. bis 14.02.1990, Napa Valley, Kalifornien: "Micro achined Silicon Microvalve" ist bereits ein elektrostatisch betätigbares Si¬ liziummikroventil bekannt, welches ein Grundteil mit einer Einlaßöffnung umfaßt, die konisch zu einer Auslaßöffnung zu¬ sammenläuft, oberhalb der in einem geringen Abstand eine elastische Verschlußplatte aus einem Dielektrikum angeordnet ist. Sowohl die elastische Verschlußplatte als auch der un¬ terhalb dieser Verschlußplatte liegende Dielektrikumbereich haben Elektrodenplatten zum elektrostatischen Öffnen und Schließen des so gebildeten Mikroventiles. Die Flußmodula¬ tionskurve eines derartigen Mikroventiles in Abhängigkeit von der Steuerspannung zeigt eine starke Hysterese. Obwohl dieses bekannte Mikroventil eine hohe Haltekraft hat, also in seinem geschlossenen Zustand auch einer hohen Druckdif¬ ferenz von ca. lOOOmbar widersteht, ist es nicht dazu in der Lage, bei hohen Fluiddurchflußströmungsgeschwindigkeiten und Druckdifferenzen von mehr als 150mbar in seiner geöffneten Lage durch Anlegen eines elektrischen Steuersignales wieder geschlossen zu werden. Ein Schließen ist praktisch nur möglich, wenn die Fluidströ ung, die das Mikroventil durchströmt, im wesentlichen auf Null zurückgegangen ist.From the professional publication Proceedings of IEEE, MEMS-90, February 11-14, 1990, Napa Valley, California: "Micro achined Silicon Microvalve "an electrostatically actuable silicon microvalve is already known, which comprises a base part with an inlet opening, which converges conically to an outlet opening, above which an elastic closure plate made of a dielectric is arranged at a short distance. Both the elastic closure plate and The dielectric region below this sealing plate has electrode plates for the electrostatic opening and closing of the microvalve thus formed. The flow modulation curve of such a microvalve as a function of the control voltage shows a strong hysteresis. Although this known microvalve has a high holding force, that is to say in its closed state Resists even a high pressure difference of approx. 100 mbar, it is not able to operate at high fluid flow velocities and pressure differences of more than 150 mbar in its open position by applying an el electrical control signals to be closed again. Closing is practically only possible if the fluid flow through which the microvalve flows has essentially decreased to zero.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen¬ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikroventil zu schaffen, das mit den Methoden der Mikro echanik hergestellt werden kann, eine kurze Ansprechzeit und ein verbessertes dynamisches Verhalten aufweist und auch hohe Drücke an- und abschalten kann.Proceeding from this prior art, the present invention has for its object to provide a microvalve that can be manufactured using the methods of micro-mechanics, has a short response time and improved dynamic behavior and can also switch high and low pressures on and off .
Diese Aufgabe wird durch ein mikrominiaturisierbares Ventil gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by a microminiaturisable valve according to claim 1.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt das Ventil eine Druckausgleichskammer und zwei mit der Druckausgleichs¬ kammer in Fluidströ ungsverbindung stehende semiaktive Ven¬ tile. Ein erstes der semiaktiven Ventile ist derart zwischen der Druckausgleichskammer und einer ersten Fluidleitung an¬ geordnet, daß dieses gegen einen Druck in der ersten Fluid¬ leitung, der höher ist als derjenige in der Druckausgleichs- kammer, durch Anlegen einer ersten Spannung an elektrisch leitfähige Bereiche dieses ersten semiaktiven Ventiles in seinem geschlossenen Zustand haltbar ist. Ein zweites der semiaktiven Ventile ist derart zwischen der Druckausgleichs¬ kammer und einer zweiten Fluidleitung angeordnet, daß dieses gegen einen Druck in der Druckausgleichskammer, der höher ist als derjenige in der Fluidleitung, durch Anlegen einer zweiten Spannung an leitfähige Bereiche des zweiten semi¬ aktiven Ventiles in seinem geschlossenen Zustand gehalten werden kann. Durch eine alternierende Abschaltung der Span¬ nungen, mit denen die beiden semiaktiven Ventile beauf¬ schlagt werden, kann die Durchströmung des Ventiles von der ersten Fluidleitung in die zweite Fluidleitung wunschgemäß gesteuert werden.According to a first aspect of the invention, the valve comprises a pressure compensation chamber and two semi-active valves which are in fluid flow connection with the pressure compensation chamber. A first of the semi-active valves is arranged between the pressure compensation chamber and a first fluid line in such a way that it counteracts a pressure in the first fluid line which is higher than that in the pressure compensation chamber, is stable in its closed state by applying a first voltage to electrically conductive areas of this first semi-active valve. A second one of the semi-active valves is arranged between the pressure compensation chamber and a second fluid line in such a way that it counteracts a pressure in the pressure compensation chamber that is higher than that in the fluid line by applying a second voltage to conductive areas of the second semi-active valve can be kept in its closed state. The flow through the valve from the first fluid line into the second fluid line can be controlled as desired by alternately switching off the voltages applied to the two semi-active valves.
Gemäß einem bedeutenden Aspekt der Erfindung ist ein Ventil¬ kolben in einer von dem Druck der Druckausgleichskammer be¬ aufschlagbaren Art angeordnet, der in Abhängigkeit von dem Druck in dieser Druckausgleichskammer gegen einen Ventilsitz anlegbar ist, um eine Fluidverbindung zwischen einer dritten und vierten Fluidleitung in steuerbarer Weise zu öffnen und zu schließen. Bei dieser Struktur des mikrominiaturisierba- ren Ventiles kann die erste Fluidleitung mit einem Steuer¬ druck beaufschlagt werden und die zweite Fluidleitung zur Entlüftung der Druckausgleichskammer dienen. Entspechend der elektrischen Steuersignale für die beiden semiaktiven Ven¬ tile kann der Druck in der Druckausgleichskammer auf ein wählbares Druckniveau zwischen dem Steuerdruck und dem Ent¬ lüftungsdruck in der ersten bzw. zweiten Fluidleitung ein¬ gestellt werden, so daß also durch geeignete elektrische An- steuerung der beiden semiaktiven Ventile die Fluidverbindung zwischen der dritten und vierten Fluidleitung wunschgemäß in steuerbarer Weise geöffnet und geschlossen werden kann.According to an important aspect of the invention, a valve piston is arranged in a manner that can be acted upon by the pressure of the pressure compensation chamber and can be placed against a valve seat in dependence on the pressure in this pressure compensation chamber in order to control a fluid connection between a third and fourth fluid line Way to open and close. With this structure of the microminiaturisable valve, a control pressure can be applied to the first fluid line and the second fluid line can be used to vent the pressure compensation chamber. Corresponding to the electrical control signals for the two semi-active valves, the pressure in the pressure compensation chamber can be set to a selectable pressure level between the control pressure and the venting pressure in the first or second fluid line, so that this can be done by suitable electrical control of the two semi-active valves, the fluid connection between the third and fourth fluid lines can be opened and closed as desired in a controllable manner.
Bei geeigneter Dimensionierung der druckausgleichskammer- seitigen Fläche des Ventilkolbens bezogen auf die Fläche, die sich im Bereich eines Ventilsitzes zwischen der dritten und vierten Fluidleitung ergibt, ermöglicht das erfindungs- gemäße mikrominiaturisierbare Ventil eine Verstärkungswir¬ kung dahingehend, daß mit einem vergleichsweise niedrigen Steuerdruck in der ersten Fluidleitung vergleichsweise hohe Drücke in der dritten und vierten Fluidleitung gesteuert werden können.With a suitable dimensioning of the area of the valve piston on the pressure compensation chamber side in relation to the area that results in the area of a valve seat between the third and fourth fluid lines, the invention enables corresponding microminiaturisable valve an amplification effect in that with a comparatively low control pressure in the first fluid line, comparatively high pressures in the third and fourth fluid lines can be controlled.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierba- ren Ventiles sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developments of the microminiaturizable valve according to the invention are specified in the subclaims.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:Preferred exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine QuerSchnittsdarstellung einer ersten Aus¬ führungsform des erfindungsgemäßen, mikromi- niaturisierbaren Ventiles;1 shows a cross-sectional view of a first embodiment of the microminiaturisable valve according to the invention;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines semiaktiven Ventiles, das bei dem erfindungsgemäßen mikro- miniaturisierbaren Ventil einsetzbar ist;2 shows a first embodiment of a semi-active valve which can be used in the micro-miniaturizable valve according to the invention;
Fig. 3a eine zweite bis fünfte Ausführungsform des bis 3d semiaktiven Mikroventiles, welches bei dem erfindungsgemäßen Ventil einsetzbar ist;3a shows a second to fifth embodiment of the up to 3d semi-active microvalve which can be used in the valve according to the invention;
Fig. 4 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen, mikrominiaturisierbaren Mikroventi¬ les;FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 1 of a second embodiment of the micro-miniaturizable micro-valve according to the invention;
Fig. 5 eine weitere, der Fig. 1 entsprechende Dar¬ stellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventiles;FIG. 5 shows a further representation corresponding to FIG. 1 of a third embodiment of the microminiaturisable valve according to the invention;
Fig. 6 eine weitere, der Fig. 1 entsprechende Dar¬ stellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventiles;FIG. 6 shows a further representation corresponding to FIG. 1 of a fourth embodiment of the microminiaturizable according to the invention Valves;
Fig. 7 eine weitere, der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventiles; und7 shows a further representation corresponding to FIG. 1 of a fifth embodiment of the microminiaturizable valve according to the invention; and
Fig. 8 eine fünfte Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen, mikrominiaturisierbaren Ventiles.8 shows a fifth embodiment of the microminiaturizable valve according to the invention.
Wie insbesondere in Fig. 1 zu sehen ist, umfaßt das dort ge¬ zeigte erste Ausführungsbeispiel eines mikrominiaturisierten Ventiles, das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, drei übereinander angeordnete und mitein¬ ander fest verbundene, im wesentlichen plattenförmige Körper Kl, K2, K3. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die drei Körper Kl, K2, K3 durch Siliziumwafer gebildet. Der erste und zweite Körper Kl, K2 sind elektrisch leitend mit¬ einander verbunden. Der dritte Körper K3 ist gegenüber dem zweiten Körper K2 elektrisch isoliert. Diese elektrische Isolation wird vorzugsweise dadurch realisiert, daß der dritte Körper K3 auf seiner dem zweiten Körper K2 zuge¬ wandten Seite mit einer Isolationsschicht ganzflächig über¬ zogen ist. Die Isolationsschicht kann aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen. Der zweite und dritte Körper K2, K3 sind vorzugsweise nur sehr gering oder überhaupt nicht von¬ einander beabstandet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbei¬ spiel sind diese beiden Körper K2, K3 durch anodisches Bon¬ den über eine elektrisch isolierende Pyrex-Zwischenschicht verbunden. Gleichfalls ist es möglich, die beiden Körper K2, K3 in einer plan aufeinanderliegenden Anordnung seitlich zu verkleben.As can be seen in particular in FIG. 1, the first exemplary embodiment of a microminiaturized valve shown there, which is designated in its entirety by the reference number 1, comprises three essentially plate-shaped bodies K1, K2 which are arranged one above the other and firmly connected to one another , K3. In the preferred embodiment, the three bodies K1, K2, K3 are formed by silicon wafers. The first and second bodies K1, K2 are connected to one another in an electrically conductive manner. The third body K3 is electrically insulated from the second body K2. This electrical insulation is preferably implemented in that the third body K3 is covered over its entire surface with an insulation layer on its side facing the second body K2. The insulation layer can consist of silicon oxide or silicon nitride. The second and third bodies K2, K3 are preferably only very slightly or not at all spaced from one another. In a preferred embodiment, these two bodies K2, K3 are connected by anodic bonding via an electrically insulating pyrex intermediate layer. It is also possible to glue the two bodies K2, K3 laterally in a flat arrangement.
Der erste und/oder der zweite Körper Kl, K2 sind mittels photolithographischer Ätzverfahren derart strukturiert, daß sie miteinander eine Druckausgleichskammer 2 festlegen. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Druckausgleichs¬ kammer 2 in den ersten Körper Kl durch Ätzen eingeformt. Für den Fachmann auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie ist es jedoch offenkundig, daß der erste Körper Kl auch als ebene Platte ausgeführt sein kann, wenn die Druckausgleichskammer 2 in die dem ersten Körper Kl zugewandte Seite des zweiten Körpers K2 eingeätzt ist.The first and / or the second body K1, K2 are structured by means of photolithographic etching processes in such a way that they define a pressure compensation chamber 2 with one another. In the embodiment shown, the pressure compensation chamber 2 is molded into the first body K1 by etching. However, it is obvious to a person skilled in the field of semiconductor technology that the first body K 1 can also be designed as a flat plate if the pressure compensation chamber 2 is etched into the side of the second body K 2 facing the first body K 1.
An dem dritten Körper K3 sind auf dessen dem zweiten Körper K2 abgewandten Seite vier Fluidleitungen Ll, L2 , L3, L4 be¬ festigt. Die Befestigung der Fluidleitungen kann mittels eines geeigneten Klebers erfolgen. Das gesamte Ventil kann allerdings auch in ein spezielles Gehäuse eingepaßt werden, welches sowohl die Verbindung der elektrischen Anschlüsse, als auch die Verbindung mit den Fluidanschlüssen herstellt.Four fluid lines L1, L2, L3, L4 are fastened to the third body K3 on its side facing away from the second body K2. The fluid lines can be attached using a suitable adhesive. However, the entire valve can also be fitted into a special housing, which establishes both the connection of the electrical connections and the connection to the fluid connections.
In der Fluidverbindung zwischen der Druckausgleichskammer 2 und der ersten sowie zweiten Fluidleitung Ll, L2 liegen zwei semiaktive Ventile 3, 4. Das erste semiaktive Ventil 3 ist derart angeordnet, daß dieses einen Druck in der ersten Fluidleitung Ll, der höher ist als derjenige in der Druck¬ ausgleichskammer 2, durch Anlegen einer ersten Spannung UI an elektrisch leitfähige Bereiche (vergleiche Fig. 2) des Ventiles in einem geschlossenen Zustand haltbar ist. Das zweite semiaktive Ventil 4 ist bezogen auf die Einbaulage des ersten semiaktiven Ventiles 3 derart umgekehrt angeord¬ net, daß dieses gegen den Druck in der Druckausgleichskammer 2, der höher ist als derjenige in der zweiten Fluidleitung L2, durch Anlegen einer zweiten Spannung U2 an leitfähige Bereiche (vergleiche Fig. 2) des zweiten Ventiles in einem geschlossenen Zustand haltbar ist. Wie aus der Gesamtschau der Fig. 1 und 2 deutlich zu erkennen ist, haben das erste und das zweite semiaktive Ventil 3, 4 jeweils einen beweg¬ lichen Ventilbereich, der hier als Ventilklappe 5 ausgeführt ist, welche eine Öffnung 6 in einem benachbarten, festste¬ henden Flächenbereich 7 des jeweils benachbarten Körpers Kl bzw. K2 überdeckt. Der zweite und dritte Körper K2, K3 sind, wie bereits erwähnt wurde, von Isolationsschichten 9, 10 um- geben .In the fluid connection between the pressure compensation chamber 2 and the first and second fluid lines L1, L2 are two semi-active valves 3, 4. The first semi-active valve 3 is arranged such that this has a pressure in the first fluid line L1, which is higher than that in the Pressure compensation chamber 2, by applying a first voltage UI to electrically conductive areas (cf. FIG. 2) of the valve, can be kept in a closed state. The second semi-active valve 4 is arranged in the opposite manner with respect to the installation position of the first semi-active valve 3 in such a way that it presses against the pressure in the pressure compensation chamber 2, which is higher than that in the second fluid line L2, by applying a second voltage U2 to conductive Areas (see FIG. 2) of the second valve can be kept in a closed state. As can be clearly seen from the overall view of FIGS. 1 and 2, the first and the second semi-active valves 3, 4 each have a movable valve region, which is designed here as a valve flap 5, which has an opening 6 in an adjacent, fixed one ¬ covering surface area 7 of the respective adjacent body K1 or K2. As already mentioned, the second and third bodies K2, K3 are made of insulation layers 9, 10 μm. give .
Der zweite Körper K2 weist an seinem dem dritten Körper K3 zugewandten, feststehenden Flächenbereich 7 im Bereich der Öffnung 6 eine erste Elektrode in Form einer Metallisierung 11 auf.The second body K2 has on its fixed surface area 7 facing the third body K3 in the area of the opening 6 a first electrode in the form of a metallization 11.
Die Ventilklappe 5 hat zumindest an ihrer dem feststehenden Flächenbereich 7 des zweiten Körpers K2 gegenüberliegenden Seite eine vorzugsweise außerhalb der Isolationsschicht 10 angeordnete zweite Elektrode, die gleichfalls eine Metal¬ lisierung sein kann. An diese beiden Elektroden 11, 12 wird die Steuerspannung UI, U2 angelegt, mit der die Ventilklappe 5 elektrostatisch in einer gegen die Öffnung 6 abdichtend anliegenden Lage gehalten werden kann.The valve flap 5 has, at least on its side opposite the fixed surface area 7 of the second body K2, a second electrode which is preferably arranged outside the insulation layer 10 and which can likewise be a metallization. The control voltage UI, U2 is applied to these two electrodes 11, 12, with which the valve flap 5 can be held electrostatically in a position sealing against the opening 6.
Das erste semiaktive Ventil 3 unterscheidet sich von dem so¬ eben beschriebenen zweiten semiaktiven Ventil 4 nur dadurch, daß dieses in umgekehrter Lage durch den zweiten und dritten Körper K2, K3 gebildet ist, wobei also der Körper K2 eine Ventilklappe 13 bildet, während der dritte Körper K3 die ge¬ genüberliegende Öffnung 14 definiert.The first semi-active valve 3 differs from the second semi-active valve 4 just described only in that it is formed in the reverse position by the second and third bodies K2, K3, the body K2 thus forming a valve flap 13, while the third Body K3 defines the opposite opening 14.
Der zweite Körper K2 hat eine sich von seiner einen Haupt¬ fläche bis fast an seine andere Hauptfläche erstreckende Ausnehmung 15 zur Bildung einer Membran 16, deren Mittelteil vorzugsweise einen von der Ausnehmung 15 umgebenen Ventil¬ kolben 17 bildet. Der Ventilkolben 17 ist durch die Membran 16 federnd aufgehängt.The second body K2 has a recess 15 which extends from its one main surface to almost its other main surface to form a membrane 16, the central part of which preferably forms a valve piston 17 surrounded by the recess 15. The valve piston 17 is resiliently suspended by the membrane 16.
Der dritte Körper K3 hat eine mittige Durchgangsöffnung 18 in Gegenüberlage zu dem Ventilkolben 17, wodurch der die Durchgangsöffnung 18 umgebende Bereich des Körpers K3, der dem Ventilkolben 17 benachbart ist, einen Ventilsitz 19 festlegt. Der dritte Körper K3 weist eine weitere Durch¬ gangsöffnung 19 auf, die sich von der dritten Fluidleitung L3 bis zu der Ausnehmung 15 in dem zweiten Körper K2 er¬ streckt. In der ersten Steuerleitung Ll herrscht der Steuer- druck pl, in der zweiten Fluidleitung L2 besteht ein Ent¬ lüftungsdruck p4, in der dritten Fluidleitung L3 herrscht ein Zuluftdruck p2, während in der vierten Fluidleitung L4 ein Abluftdruck p3 vorliegt. An die vierte Fluidleitung kann ein Gefäß angeschlossen sein, dessen Druck durch das Ventil 1 gesteuert werden soll.The third body K3 has a central through opening 18 opposite to the valve piston 17, as a result of which the region of the body K3 surrounding the through opening 18, which is adjacent to the valve piston 17, defines a valve seat 19. The third body K3 has a further through-opening 19 which extends from the third fluid line L3 to the recess 15 in the second body K2. In the first control line Ll the control pressure pl, there is a venting pressure p4 in the second fluid line L2, a supply air pressure p2 prevails in the third fluid line L3, while there is an exhaust air pressure p3 in the fourth fluid line L4. A vessel, the pressure of which is to be controlled by valve 1, can be connected to the fourth fluid line.
Bevor die Funktionsweise des Ventiles 1 gemäß Fig. 1 erläu¬ tert wird, soll zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 2 die Funktionsweise des bei dem Ventil 1 verwendeten semiaktiven Ventiles 3, 4 erläutert werden.Before the operation of the valve 1 according to FIG. 1 is explained, the operation of the semi-active valve 3, 4 used in the valve 1 will first be explained with reference to FIG. 2.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung U zwischen der zweiten Elektrode 12, der Klappe 5 und der gegenüberliegen¬ den Elektrode 11 an dem feststehenden Flächenbereich 7 des zweiten Körpers K2 wird die Klappe 5 mit dem elektrostati¬ schen Druck p auf den gegenüberliegenden Flächenbereich 7 gedrückt. Für die kondensatorähnliche Anordnung errechnet sich p folgendermaßen:By applying an electrical voltage U between the second electrode 12, the flap 5 and the opposite electrode 11 to the fixed surface area 7 of the second body K2, the flap 5 is pressed onto the opposite surface area 7 with the electrostatic pressure p. For the capacitor-like arrangement, p is calculated as follows:
0 • β, U20 • β, U2
P = d*P = d *
In dieser Gleichung bezeichnet el die relative Dielektri¬ zitätskonstante des Isolatormediums und d die Dicke des Dielektrikums. Im Falle einer ca. 1 μm dicken Siliziumoxid¬ schicht als Isolation lassen sich bei Spannungen um 30 Volt elektrostatische Drücke im Bereich von einigen hundert mbar erzeugen.In this equation, el denotes the relative dielectric constant of the insulator medium and d the thickness of the dielectric. In the case of an approximately 1 μm thick silicon oxide layer as insulation, electrostatic pressures in the range of a few hundred mbar can be generated at voltages around 30 volts.
Die Klappe 5 kann durch Anlegen einer Spannung gegenüber einem Überdruck auf der Seite der Öffnung 6 geschlossen ge¬ halten werden, bis Kräftegleichgewicht herrscht. Hierbei gilt:The flap 5 can be kept closed by applying a voltage to an overpressure on the side of the opening 6 until there is a balance of forces. The following applies:
(pl - p4) Fl = p F2 In dieser Gleichung bezeichnet Fl die Fläche der Öffnung 6 und F2 diejenige Fläche der Ventilklappe 5, die über die Öffnung 6 hinausgeht.(pl - p4) Fl = p F2 In this equation, Fl denotes the area of the opening 6 and F2 the area of the valve flap 5 which extends beyond the opening 6.
Je nach dem Verhältnis der Flächen F2/F1 kann der elektro¬ statische Druck von einigen hundert Milibar deutlich höhere pneumatische Druckdifferenzen (pl - p4) abblocken.Depending on the ratio of the areas F2 / F1, the electrostatic pressure of a few hundred milibars can block significantly higher pneumatic pressure differences (pl-p4).
Schaltet man die Spannung U ab, so biegt sich die Klappe 5 von dem feststehenden Flächenbereich 7 weg, so daß ein Fluid (Luft oder ein isolierendes Hydraulikmedium) das semiaktive Ventil 3, 4 passieren kann.If the voltage U is switched off, the flap 5 bends away from the fixed surface area 7, so that a fluid (air or an insulating hydraulic medium) can pass through the semi-active valve 3, 4.
Ausgehend von der Funktionsweise der semiaktiven Ventile 3, 4 soll nunmehr die Funktion des Ventiles 1 (Fig. 1) erläu¬ tert werden. Bei geschlossenem semiaktivem Ventil 4 auf der Entlüftungsseite, als der Seite der zweiten Fluidleitung L2, kann man durch Abschalten der Spannung UI das semiaktive Ventil 3 auf der Steuerdruckseite, d. h. der Seite der ersten Fluidleitung Ll öffnen, was einen Gasfluß bzw. all¬ gemein einen Fluidfluß in die Druckausgleichskammer 2 zur Folge hat, bis Druckausgleich erreicht ist. In diesem Sta¬ dium läßt sich das semiaktive Ventil 3 wieder schließen und elektrostatisch durch Anlegen der Spannung UI halten.Starting from the mode of operation of the semi-active valves 3, 4, the function of the valve 1 (FIG. 1) will now be explained. When the semi-active valve 4 on the venting side, as the side of the second fluid line L2, is closed, the semi-active valve 3 on the control pressure side, ie. H. open the side of the first fluid line L1, which results in a gas flow or generally a fluid flow into the pressure equalization chamber 2 until pressure equalization is achieved. In this state, the semi-active valve 3 can be closed again and held electrostatically by applying the voltage UI.
Durch ein Abschalten der Spannung U2 an dem zweiten semiak¬ tiven Ventil 4 bei geschlossenem Zustand des ersten semiak¬ tiven Ventiles 3 läßt sich die Druckausgleichskammer 2 ent¬ lüften bzw. auf das niedrigere Druckniveau p4 innerhalb der zweiten Fluidleitung L2 bringen. Nach erfolgtem Druckaus¬ gleich läßt sich dieses semiaktive Ventil 4 durch Anlegen der Spannung U2 wieder schließen, woraufhin der Zyklus von neuem beginnen kann. Um eine möglichst hohe Betriebsfreguenz erreichen zu können, sollte das Volumen der Druckausgleichs¬ kammer 2 möglichst gering sein. Um das Ventil 1 gegen den Gegendruck geschlossen zu halten, ist keine elektrische Leistung erforderlich, da eine Lei¬ stungsaufnahme nur während des Schaltvorganges erfolgt.By switching off the voltage U2 at the second semi-active valve 4 when the first semi-active valve 3 is closed, the pressure compensation chamber 2 can be vented or brought to the lower pressure level p4 within the second fluid line L2. After the pressure equalization has taken place, this semi-active valve 4 can be closed again by applying the voltage U2, whereupon the cycle can begin again. In order to be able to achieve the highest possible operating frequency, the volume of the pressure compensation chamber 2 should be as small as possible. In order to keep the valve 1 closed against the counter pressure, no electrical power is required, since power is only consumed during the switching process.
Wenn in der dritten Fluidleitung L3 ein Überdruck p2 gegen¬ über dem Druck p3 in der vierten Fluidleitung herrscht und sich die Druckausgleichskammer 2 unter dem Steuerdruck pl von der ersten Fluidleitung Ll befindet, so wird der Ventil¬ kolben 17 auf den Ventilsitz 19 der Abluftdurchgangsöffnung 18 gepresst, so daß das pneumatische Ventil 1 geschlossen ist.If there is an overpressure p2 in the third fluid line L3 compared to the pressure p3 in the fourth fluid line and the pressure equalization chamber 2 is under the control pressure p1 from the first fluid line L1, the valve piston 17 becomes on the valve seat 19 of the exhaust air passage opening 18 pressed so that the pneumatic valve 1 is closed.
Wenn nun das zweite semiaktive Ventil 4 auf der Entlüf¬ tungsseite durch Abschalten der Spannung U2 geöffnet wird, so reduziert sich der Druck in der Druckausgleichskammer 2 vom Druck pl auf den Druck p4. Der Ventilkolben 17 wird durch die Druckdifferenz von der Kolbenunterseite und Kol¬ benoberseite nach oben ausgelenkt. Nun sind die dritte und vierte Fluidleitung L3, L4 miteinander verbunden, so daß also das Ventil 1 geöffnet ist.If the second semi-active valve 4 on the ventilation side is opened by switching off the voltage U2, the pressure in the pressure compensation chamber 2 is reduced from the pressure pl to the pressure p4. The valve piston 17 is deflected upwards by the pressure difference from the piston underside and piston top. Now the third and fourth fluid lines L3, L4 are connected to one another so that the valve 1 is open.
Bei der Betriebsart eines solchen Ventils lassen sich prinzipiell zwei unterschiedliche Fälle unterscheiden:In principle, two different cases can be distinguished in the operating mode of such a valve:
In einer ersten Betriebsart kann der Druck in den Fluidlei¬ tungen L3 und L4 jeweils konstant sein, so daß mit dem Ven¬ til ein bestimmter, stationärer Fluid-Durchfluß geschaltet werden kann. Wenn dieser Betriebsfall vorliegt, so sind für die Berechnung des Steuerdrucks Pl keine zeitlich variablen Drücke notwendig, und das Ventil kann dadurch geschaltet werden, daß der Druck in der Druckausgleichskammer mittels den beiden semiaktiven Ventilen zwischen Steuerdruck Pl und Entlüftungsdruck P4 geschaltet wird.In a first operating mode, the pressure in the fluid lines L3 and L4 can in each case be constant, so that a specific, stationary fluid flow can be switched with the valve. If this operating case is present, no time-variable pressures are necessary for the calculation of the control pressure Pl, and the valve can be switched by switching the pressure in the pressure compensation chamber between the control pressure Pl and the venting pressure P4 by means of the two semi-active valves.
In einer zweiten Betriebsart kann beispielsweise an die Fluidleitung L4 ein abgeschlossenes Behältnis angeschlossen sein, in dem der Druck durch das oben beschriebene Ventil vom Anfangsdurck P3 auf den höheren Enddruck P2 gesteigert wird. Der Druck in einer der beiden Fluidleitungen L3 oder L4 ist dabei also ebenso wie der Druckfluß mit der Zeit variabel. Um den Druck in dem Behältnis wieder auf P3 redu¬ zieren zu können und somit den Ausgangszustand wieder errei¬ chen zu können, ist also ein zweites Ventil notwendig. Die Zuluftleitung L3 des zweiten Ventils wird mit dem Behältnis verbunden und durch das Öffnen des zweiten Ventils kann das Behältnis wieder entlüftet werden. Der Ausgangszustand ist also wiederhergestellt. Für die Größe des Steuerdrucks, der die jeweiligen Ventile wieder schließen muß, sind die varia¬ blen Drücke in den Fluidleitungen L3 und L4 jeweils zu be¬ rücksichtigen.In a second operating mode, for example, a closed container can be connected to the fluid line L4, in which the pressure increases from the initial pressure P3 to the higher final pressure P2 through the valve described above becomes. The pressure in one of the two fluid lines L3 or L4 is thus variable over time, as is the pressure flow. In order to be able to reduce the pressure in the container back to P3 and thus be able to reach the initial state again, a second valve is therefore necessary. The supply air line L3 of the second valve is connected to the container and the container can be vented again by opening the second valve. The initial state has thus been restored. The variable pressures in the fluid lines L3 and L4 must be taken into account for the size of the control pressure, which must close the respective valves again.
Je nach Dimensionierung der Fläche A3 der Abluftdurchgangs¬ öffnung 18 und der Fläche A^ der Membran 16 läßt sich das in Fig. 1 gezeigte einfache logische Element als einfacher Schalter betreiben, bei dem der Steuerdruck pl und der Zu- luftdruck p2 identisch sind, oder auch als Verstärkerelement betreiben, bei dem man mit einem geringen Steuerdruck pl einen großen Zuluftdruck p2 schalten kann. Zum Schalten des Ventiles ist ein Mindestschaltdruck plmj_n erforderlich. Es gilt:Depending on the dimensioning of the area A 3 of the exhaust air passage opening 18 and the area A ^ of the membrane 16, the simple logic element shown in FIG. 1 can be operated as a simple switch in which the control pressure p 1 and the supply air pressure p 2 are identical. or operate as an amplifier element, in which one can switch a large supply air pressure p2 with a low control pressure pl. A minimum switching pressure pl mj _ n is required to switch the valve. The following applies:
A2 A 2
Pimin = P3 ( ) + P2 (-P i min = P 3 () + P 2 ( -
Al H A l H
mit A-L = A3 + A2 with AL = A 3 + A 2
Bei der Wahl der Flächen A3, A^ ist man auf einen Bereich A3 kleiner als A]^ beschränkt, woraus aufgrund der obigen Gleichung zu entnehmen ist, daß der Steuerdruck pl min immer größer sein muß als der Abluftdruck p3. Andererseits läßt sich auch erkennen, daß der minimale Steuerdruck pl min durch geeignete Wahl der Flächen Alf A3 deutlich geringer sein kann als der zu schaltende Zuluftdruck p2, woraus sich die beschriebene Verstärkungsfunktion ergibt.When choosing the areas A 3 , A ^ one is limited to an area A 3 smaller than A ] ^ , from which it can be seen from the above equation that the control pressure pl min must always be greater than the exhaust air pressure p3. On the other hand, it can also be seen that the minimum control pressure pl min can be significantly lower than the supply air pressure p2 to be switched by suitable selection of the areas A lf A 3 , which results in the amplification function described results.
Die semiaktiven Ventile 3, 4 sind nicht auf die in Fig. 2 gezeigte Form beschränkt. In den Fig. 3a bis 3d sind Va¬ rianten semiaktiver Ventile gezeigt, bei denen die in Fig. 3a gezeigte Ausführungsform eine glatt an dem feststehenden Flächenbereich 7 anliegende Ventilklappe 5 hat. Anstelle der Klappe 5 gemäß Fig. 3a kann ein zweiseitig eingespannter Balken (nicht dargestellt) verwendet werden. Der feststehende Flächenbereich 7 kann, wie dies in Fig. 3b gezeigt ist, durch entsprechende Oberflächenausnehmungen 21 festgelegte Auflagestege 20 haben, an denen die Ventilklappe 5 anliegt. Durch diese Ausgestaltung läßt sich die Gefahr der Verschmutzung reduzieren und ein günstigerer Durchflu߬ widerstand des semiaktiven Ventiles erreichen. Die Absenkung der Oberflächenausnehmungen 21 sollte allerdings nicht tie¬ fer als 1 Im sein, um den erzeugbaren elektrostatischen Druck nicht zu stark zu vermindern.The semi-active valves 3, 4 are not limited to the shape shown in FIG. 2. 3a to 3d show variants of semi-active valves in which the embodiment shown in FIG. 3a has a valve flap 5 which lies smoothly against the fixed surface area 7. Instead of the flap 5 according to FIG. 3a, a bar (not shown) clamped on two sides can be used. As is shown in FIG. 3b, the fixed surface area 7 can have support webs 20 which are fixed by corresponding surface recesses 21 and against which the valve flap 5 rests. With this configuration, the risk of contamination can be reduced and a more favorable flow resistance of the semi-active valve can be achieved. The lowering of the surface recesses 21 should, however, not be more than 1 μm in order not to reduce the electrostatic pressure that can be generated too much.
Ebenfalls ist es möglich, anstelle der Klappe 5 eine Membran 22 auszubilden, die eine mittige Membranversteifung 23 um¬ fassen kann. Bei dieser Ausgestaltung wird man Öffnungen 24 in der Membran beabstandet zu der Öffnung 6 in dem Gegen¬ körper anordnen. Entsprechend der Ausgestaltung der Fig. 3b kann auch bei dieser membranartigen Ausführung des bewegli¬ chen Ventilbereiches eine Oberflächenausnehmung 25 vorgese¬ hen sein.It is also possible, instead of the flap 5, to form a membrane 22 which can include a central membrane reinforcement 23. In this embodiment, openings 24 in the membrane will be arranged at a distance from the opening 6 in the counter body. According to the configuration in FIG. 3b, a surface recess 25 can also be provided in this membrane-like embodiment of the movable valve region.
Eine zweite Ausführungsform des Ventiles 1 ist in Fig. 4 dargestellt. Mit der Ausführungsform der Fig. 1 überein¬ stimmende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß deren nochmalige Beschreibung entfallen kann. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 hat die Ausnehmung 15' eine vergrößerte Lateralerstreckung, wodurch die Lateralerstrek- kung des Ventilkolbens 17' entsprechend vermindert ist. Hierdurch ergeben sich breitere Membranbereiche 16'.A second embodiment of the valve 1 is shown in FIG. 4. Parts which correspond to the embodiment in FIG. 1 are identified by the same reference numerals, so that their repeated description can be omitted. In the embodiment according to FIG. 4, the recess 15 'has an enlarged lateral extent, as a result of which the lateral extent of the valve piston 17' is correspondingly reduced. This results in wider membrane areas 16 '.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel des Ventiles 1 gemäß Fig. 5 unterscheidet sich dadurch von dem ersten Ausfüh¬ rungsbeispiel gemäß Fig. 1, daß hier die Membran 16'' ge¬ genüber der dem ersten Körper Kl zugewandten Hauptfläche des zweiten Körpers K2 durch eine Flächenausnehmung 26 rückge¬ setzt ist. Entsprechend ist die Ausnehmung 15", die den Ventilkolben 17" umschließt, mit geringerer Tiefe ausge¬ führt.In the third embodiment of the valve 1 according to FIG. 5 differs from the first exemplary embodiment according to FIG. 1 in that here the membrane 16 ″ is set back against the main surface of the second body K2 facing the first body K1 by a surface recess 26. Correspondingly, the recess 15 ″, which surrounds the valve piston 17 ″, is made with a smaller depth.
Die nachfolgend erläuterte vierte Ausführungsform des er¬ findungsgemäßen Ventiles stimmt mit Ausnahme der nachfolgend erläuterten Unterschiede mit der zweiten Ausführungsform überein, so daß auch hier übereinstimmende Bezugszeichen der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 4 und der vierten Ausfüh¬ rungsform gemäß Fig. 6 gleiche Teile bezeichnen. Bei dieser Ausführungsform des Ventiles 1 weist der dritte Körper K3 im Bereich des Ventilsitzes 19 eine Ringausnehmung 28 auf, die einen schmalen Auflagerand 27 für den Ventilkolben 17' fest¬ legt. Dieser schmale Auflagerand 27 verringert nicht nur die Anfälligkeit des Ventiles 1 gegenüber Verunreinigungen, son¬ dern bewirkt insbesondere eine klare Definition derjenigen Fläche A2, über die der Druck p2 wirkt, in Abgrenzung zu derjenigen Fläche A3, über die der Druck p3 wirkt. Mit den so definierten Flächen Av A2, A3 läßt sich die Kräftebilanz, die auf den Ventilkolben 17' einwirkt, in Abhängigkeit von den Drücken pl, p2, p3 und p4 sowie den genannten Flächen aufstellen.The fourth embodiment of the valve according to the invention explained below corresponds to the second embodiment with the exception of the differences explained below, so that here too, the same reference numerals of the second embodiment according to FIG. 4 and the fourth embodiment according to FIG. 6 designate the same parts. In this embodiment of the valve 1, the third body K3 has an annular recess 28 in the region of the valve seat 19, which defines a narrow support edge 27 for the valve piston 17 '. This narrow support edge 27 not only reduces the susceptibility of the valve 1 to contamination, but also results in a clear definition of the area A 2 over which the pressure p2 acts, in contrast to the area A 3 over which the pressure p3 acts. With the areas A v A 2 , A 3 defined in this way, the balance of forces which acts on the valve piston 17 'can be drawn up as a function of the pressures pl, p2, p3 and p4 and the areas mentioned.
Derjenige Druck PauSgi-ct,/ der in der Druckausgleichskammer 2 herrscht, für den sich der Ventilkolben 17' weder nach oben noch nach unten bewegt, errechnet sich folgendermaßen:The pressure P auSg i - ct , / which prevails in the pressure compensation chamber 2, for which the valve piston 17 'does not move upwards or downwards, is calculated as follows:
ausgleich Ai - P3 A3 + P2compensation Ai - P 3 A 3 + P 2
Für die Flächen A A2 und A3 gilt folgender Zusammenhang: A, = A2 + A3 The following relationship applies to areas AA 2 and A 3 : A, = A 2 + A 3
Ist der momentane Druck p in der Druckausgleichskammer grö¬ ßer als der Gleichgewichtsdruck Pausgteιch, der sich aus der obigen Gleichung ergibt, so wird der Ventilkolben 17' auf die Abluftöffnung 18 gegen den Auflagerand 27 gedrückt und die Verbindung zwischen Abluft, d. h. der vierten Fluid¬ leitung L4, und Zuluft, d. h. der dritten Fluidleitung L3, unterbrochen. Anderenfalls besteht eine Verbindung zwischen der dritten und vierten Fluidleitung L3, L4.If the current pressure p in the pressure balancing chamber SSER grö¬ than the equilibrium pressure P ausgteιch resulting from the above equation, the valve piston 'is pressed onto the exhaust opening 18 against the supporting edge 27 17 and the connection between exhaust air, that the fourth fluid ¬ line L4, and supply air, ie the third fluid line L3, interrupted. Otherwise there is a connection between the third and fourth fluid lines L3, L4.
Bei festem Zuluftdruck p2 und festem Abluftdruck p3 müssen der Steuerdruck pl und der Entlüftungsdruck p4 folgenden Kriterien genügen:With a fixed supply air pressure p2 and a fixed exhaust air pressure p3, the control pressure pl and the ventilation pressure p4 must meet the following criteria:
P4 A1 < p3 A3 + P2 (Kriterium für offenes Ventil) P 4 A 1 <p3 A 3 + P 2 (criterion for open valve)
p3 A3 + p2 A2 < pl (Kriterium für geschlossenes Ventil)p3 A 3 + p2 A 2 <pl (criterion for closed valve)
Insgesamt gilt also :Overall, the following applies:
p4 < p3 ( Ai) + 2 (VA1> P1 p4 <p 3 ( Ai ) + 2 ( V A 1> P 1
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die dritte Fluidleitung L3 für die Zuluft vorgesehen, während die vierte Fluidleitung L4 für die Abluft dient. Ferner ist aus Platzgründen die Fläche A2 in der Regel deutlich größer als die Fläche A3. Für diesen Fall ergibt sich ein noch gün¬ stigeres Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Ventils 1, wenn die Zuluft durch die vierte Fluidleitung L4 zugeführt wird und die dritte Fluidleitung L3 als Abluftleitung ver¬ wendet wird. In diesem Fall ergibt sich bei unveränderten Verhältnissen der Flächen A2 und A3 zueinander eine höhere Verstärkungswirkung, d. h. die Schaltbarkeit eines höheren Zuluftdruckes in der vierten Fluidleitung L4 bezogen auf den Steuerdruck pl.In the exemplary embodiments described above, the third fluid line L3 is provided for the supply air, while the fourth fluid line L4 is used for the exhaust air. Furthermore, for reasons of space, area A2 is generally significantly larger than area A3. In this case there is an even more favorable operating behavior of the valve 1 according to the invention if the supply air is supplied through the fourth fluid line L4 and the third fluid line L3 is used as an exhaust air line. In this case, the ratios of the areas A 2 and A 3 to one another are higher, with the ratios remaining unchanged Reinforcing effect, ie the switchability of a higher supply air pressure in the fourth fluid line L4 based on the control pressure pl.
Fig. 7 zeigt eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Ventiles, bei dem wiederum mit den vorhergehenden Ausfüh¬ rungsbeispielen übereinstimmende oder vergleichbare Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Diese Ausführungsform umfaßt vier Körper KO, Kl, K2, K3, von denen der dritte und vierte Körper K2, K3 miteinander die beiden semiaktiven Ventile 3, 4 festlegen, an die die Zu¬ luftleitung Ll und die Abluftleitung L2 angrenzen. Die Druckausgleichskammer 2 wird durch den Hohlraum zwischen dem zweiten und dritten Körper Kl, K2 festgelegt und grenzt an einen Membranbereich 29 des zweiten Körpers Kl an, wobei dieser Membranbereich 29 auf seiner der Druckausgleichs¬ kammer 2 abgewandten Seite einen Ventilkolben 30 bildet. Der Ventilkolben 30 liegt einem Auflagerand 31 eines Ventil¬ sitzes 32 gegenüber, der innerhalb des ersten Körpers KO durch eine entsprechende Ringausnehmuhg 33 gebildet ist. Die dritte und vierte Fluidleitung L3, L4 stehen mit der Außen¬ fläche des ersten Körpers KO in Verbindung und können, wie auch aufgrund der Beschreibung der oben erläuterten Ausfüh¬ rungsbeispiele offensichtlich ist, in Abhängigkeit von der Lage der Membran 29 miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden, welche ihrerseits von dem durch die beiden semiaktiven Ventile 3, 4 steuerbaren Druck in der Druckaus¬ gleichskammer 2 abhängt.FIG. 7 shows a further modification of the valve according to the invention, in which, in turn, parts that are the same or comparable with the preceding exemplary embodiments are identified by the same or similar reference numerals. This embodiment comprises four bodies KO, K1, K2, K3, of which the third and fourth bodies K2, K3 fix together the two semi-active valves 3, 4, to which the supply air line L1 and the exhaust air line L2 adjoin. The pressure compensation chamber 2 is defined by the cavity between the second and third bodies K 1, K 2 and adjoins a membrane region 29 of the second body K 1, this membrane region 29 forming a valve piston 30 on its side facing away from the pressure compensation chamber 2. The valve piston 30 is opposite a support edge 31 of a valve seat 32, which is formed within the first body KO by a corresponding ring recess 33. The third and fourth fluid lines L3, L4 are connected to the outer surface of the first body KO and, as is also evident from the description of the exemplary embodiments explained above, can be connected to or separated from one another depending on the position of the membrane 29 which in turn depends on the pressure in the pressure compensation chamber 2 that can be controlled by the two semi-active valves 3, 4.
Obwohl diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventiles eine zusätzliche Schicht KO gegenüber den zuvor beschrie¬ benen Ausführungsbeispielen erfordert, wird sie als tech¬ nologisch günstiger eingestuft. Bei dieser Ventilstruktur müssen die dritte und vierte Schicht K2, K3 nur im Hinblick auf die Realisierung der semiaktiven Ventile 3, 4 bezüglich der Wahl der technologischen Schritte für die Ventilreali¬ sierung optimiert werden, während die anderen beiden Schichten bzw. Körper KO, Kl bezüglich der Wahl der Prozeß- schritte nur für die Realisierung der Membranfunktion und Ventilsitzfunktion zu optimieren sind. Die Trennung der Funktionen der semiaktiven Ventile bzw. der Membran er¬ möglicht einen höheren Freiheitsgrad bei der Wahl der Prozeßparameter.Although this configuration of the valve according to the invention requires an additional layer KO compared to the previously described exemplary embodiments, it is classified as technologically more favorable. In this valve structure, the third and fourth layers K2, K3 only have to be optimized with regard to the implementation of the semi-active valves 3, 4 with regard to the choice of technological steps for valve implementation, while the other two layers or bodies KO, Kl have to be optimized the choice of process steps only have to be optimized for the implementation of the diaphragm function and valve seat function. The separation of the functions of the semi-active valves or the membrane enables a higher degree of freedom in the selection of the process parameters.
Bezogen auf Fig. 8 wird nun eine stärker abgewandelte Va¬ riante des erfindungsgemäßen Ventiles beschrieben. Dieses erfindungsgemäße Ventil ist als einfacher Schalter für einen in der Zuluftleitung Ll herrschenden, zu schaltenden Druck pl gegenüber einem in der Abluftleitung L2 herrschenden, ge¬ genüber dem zu schaltenden Druck pl geringeren Druck p2. Ge¬ genüber den vorherigen Ausführungsbeispielen entfallen die dritte und vierte Fluidleitung sowie die Membran- und Ven¬ tilkolbenstruktur innerhalb des zweiten Körpers K2.A more modified variant of the valve according to the invention will now be described with reference to FIG. 8. This valve according to the invention is a simple switch for a pressure p1 prevailing in the supply air line L1 compared to a pressure p2 prevailing in the exhaust air line L2 which is lower than the pressure p1 to be switched. Compared to the previous exemplary embodiments, the third and fourth fluid lines and the membrane and valve piston structure within the second body K2 are omitted.
Der Druck in der Druckkammer 2 läßt sich mittels der beiden semiaktiven Ventile 3, 4 wahlweise zwischen dem Zuluf druck pl und dem Abluftdruck p2 schalten, indem jeweils eines der beiden semiaktiven Ventile 3, 4 dadurch geöffnet wird, daß dessen Steuerspannung UI, U2 abgeschaltet wird, während das andere semiaktive Ventil geschlossen bleibt, indem dieses mit seiner Steuerspannung UI, U2 beaufschlagt wird. Die in Fig. 8 gezeigte Struktur eignet sich ausschließlich als pneumatisches Ventil. Als hydraulisches Ventil ist es dann einsetzbar, wenn das Volumen der Druckausgleichskammer 2 beispielsweise durch eine elastische Membran an der nach außen gewandten Fläche des ersten Körpers Kl variabel ist, so daß die Druckausgleichskammer ein veränderliches Hydrau¬ likvolumen aufnehmen kann.The pressure in the pressure chamber 2 can be switched between the supply pressure pl and the exhaust air pressure p2 by means of the two semi-active valves 3, 4, by opening one of the two semi-active valves 3, 4 by switching off its control voltage UI, U2 while the other semi-active valve remains closed by applying its control voltage UI, U2. The structure shown in Fig. 8 is only suitable as a pneumatic valve. It can be used as a hydraulic valve if the volume of the pressure compensation chamber 2 can be varied, for example by an elastic membrane on the outwardly facing surface of the first body K 1, so that the pressure compensation chamber can accommodate a variable hydraulic volume.
Bei diesem Ventil kann die Membran den Teil einer Pumpe bil¬ den, die eine an die elastische Membran angrenzende Pump¬ kammer hat. Gleichfalls kann die Membran mit dem Kolben einer Pumpenstruktur verbunden sein.With this valve, the membrane can form the part of a pump which has a pump chamber adjacent to the elastic membrane. The membrane can also be connected to the piston of a pump structure.
Obwohl die erfindungsgemäßen Ventile vorzugsweise in Sili¬ zium implementiert werden, können für die Zwecke der Erfin- düng auch andere Materialien eingesetzt werden, welche sich für Mikrostrukturierungen eignen. Although the valves according to the invention are preferably implemented in silicon, for the purposes of the invention other materials that are suitable for microstructuring can also be used.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Mikrominiaturisierbares Ventil, gekennzeichnet durch1. Microminiaturisable valve, characterized by
eine Druckausgleichskammer (2) ,a pressure compensation chamber (2),
ein zwischen der Druckausgleichskammer (2) und einer ersten Fluidleitung (Ll) derart angeordnetes, elek¬ trostatisch haltbares, erstes semiaktives Ventil (3) , daß dieses gegen einen Druck in der ersten Fluidleitung (Ll) , der höher ist als derjenige in der Druckaus¬ gleichskammer (2) , durch Anlegen einer ersten Spannung (UI) an elektrisch leitfähige Bereiche (11, 12) des ersten semiaktiven Ventiles (3) in einem geschlossenen Zustand haltbar ist, unda first semi-active valve (3) arranged between the pressure compensation chamber (2) and a first fluid line (L1) in such a way that it is against a pressure in the first fluid line (L1) which is higher than that in the pressure line ¬ equal chamber (2), by applying a first voltage (UI) to electrically conductive areas (11, 12) of the first semi-active valve (3) can be kept in a closed state, and
ein zwischen der Druckausgleichskammer (2) und einer zweiten Fluidleitung (L2) derart angeordnetes, elektro¬ statisch haltbares, zweites semiaktives Ventil (4) , daß dieses gegen einen Druck in der Druckausgleichskammer (2) , der höher ist als derjenige in der zweiten Fluid¬ leitung (L2) , durch Anlegen einer zweiten Spannung (U2) an leitfähige Bereiche (ll, 12) des zweiten semiaktiven Ventiles (4) in einem geschlossenen Zustand haltbar ist.an electrostatically stable, second semi-active valve (4) arranged between the pressure compensation chamber (2) and a second fluid line (L2) in such a way that it counteracts a pressure in the pressure compensation chamber (2) that is higher than that in the second fluid ¬ line (L2), by applying a second voltage (U2) to conductive areas (II, 12) of the second semi-active valve (4) can be kept in a closed state.
2. Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 1, gekenn¬ zeichnet durch2. microminiaturisable valve according to claim 1, marked by
einen von dem Druck in der Druckausgleichskammer (2) beaufschlagten Ventilkolben (17, 17', 17",) der in Abhängigkeit von dem Druck in der Druckausgleichskammer (2) gegen einen Ventilsitz (19, 27) zwischen einer dritten und vierten Fluidleitung (L3, L4) anlegbar ist. a valve piston (17, 17 ', 17 ",) acted upon by the pressure in the pressure compensation chamber (2) and depending on the pressure in the pressure compensation chamber (2) against a valve seat (19, 27) between a third and fourth fluid line (L3 , L4) can be created.
Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Micro-miniaturizable valve according to claim 1 or 2, characterized by
eine Steuervorrichtung, die die erste und zweite Span¬ nung (UI, U2) für die Ansteuerung des ersten und zwei¬ ten semiaktiven Ventiles (3, 4) derart erzeugt, daß zu jedem Zeitpunkt während des Betriebes des mikrominiatu¬ risierbaren Ventiles (1) zumindest an eines der beiden Ventile (2 , a control device which generates the first and second voltage (UI, U2) for the control of the first and second semiactive valve (3, 4) in such a way that at any time during the operation of the microminiatizable valve (1) at least on one of the two valves (2,
4) eine Spannung (UI, U2) angelegt wird.4) a voltage (UI, U2) is applied.
einen von dem Druck in der Druckausgleichskammer (2) beaufschlagten Ventilkolben (17, 17', 17'',) der in Abhängigkeit von dem Druck in der Druckausgleichskammer (2) gegen einen Ventilsitz (19, 27) zwischen einer dritten und vierten Fluidleitung (L3, L4) anlegbar ist.a valve piston (17, 17 ', 17' ',) acted upon by the pressure in the pressure compensation chamber (2) and depending on the pressure in the pressure compensation chamber (2) against a valve seat (19, 27) between a third and fourth fluid line ( L3, L4) can be created.
Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,Micro-miniaturizable valve according to claim 3, characterized in that
daß der Ventilkolben (17, 17', 17") von einer an die Druckausgleichskammer (2) angrenzenden Membran (16) ge¬ führt ist.that the valve piston (17, 17 ', 17 ") is guided by a membrane (16) adjoining the pressure compensation chamber (2).
5. Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,5. microminiaturisable valve according to claim 3 or 4, characterized in
daß die von dem Ventilsitz (17, 27) umschlossene Fläche (A3) im Bereich der vierten Fluidleitung (L4) kleiner ist als die von dem Druck in der Druckausgleichskammer (2) beaufschlagte Fläche (Aχ) des Ventilkolbens (17, 17', 17"). that the area (A 3 ) enclosed by the valve seat (17, 27) in the area of the fourth fluid line (L4) is smaller than the area (A χ ) of the valve piston (17, 17 ') acted upon by the pressure in the pressure compensation chamber (2) , 17 ").
6. Mikrominiaturisierbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,6. microminiaturisable valve according to one of claims 1 to 5, characterized in
daß das erste und zweite semiaktive Ventil (3, 4) je¬ weils einen beweglichen Ventilbereich (5, 22) haben, der eine Öffnung (6) in einem benachbarten, festen Flächenbereich (7) überdeckt, undthat the first and second semi-active valves (3, 4) each have a movable valve area (5, 22) which covers an opening (6) in an adjacent, fixed surface area (7), and
daß der bewegliche Ventilbereich (5, 22) und der feste Flächenbereich (7) jeweils die genannten elektrisch leitfähigen Bereiche (10, 11) umfassen.that the movable valve area (5, 22) and the fixed surface area (7) each comprise the aforementioned electrically conductive areas (10, 11).
7. Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,7. microminiaturisable valve according to claim 6, characterized in that
daß die Fläche (F3) des beweglichen Ventilbereiches (5, 22) größer ist als die Fläche (Fj der Öffnung (6) .that the area (F 3 ) of the movable valve area (5, 22) is larger than the area (F j of the opening (6).
Mikrominiaturisierbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durchMicro-miniaturizable valve according to one of claims 1 to 7, characterized by
drei übereinander angeordnete, miteinander verbundene, im wesentlichen plattenförmige Körper (Kl, K2, K3) , die derart ausgebildet sind, daß der erste und zweite Kör¬ per (Kl, K2) miteinander die Druckausgleichskammer (2) festlegen, undthree superposed, interconnected, substantially plate-shaped bodies (K1, K2, K3) which are designed such that the first and second bodies (K1, K2) define the pressure compensation chamber (2) with one another, and
daß die beiden semiaktiven Ventile (3, 4) derart durch den zweiten und dritten Körper (K2, K3) festgelegt sind, daß der bewegliche Ventilbereich (5) des ersten semiaktiven Ventiles (3) und der feste Flächenbereich (7) des zweiten semiaktiven Ventiles (4) durch den zweiten Körper (K2) gebildet sind und daß der beweg¬ liche Ventilbereich (5) des zweiten semiaktiven Ven¬ tiles (4) und der feste Flächenbereich (7) des ersten semiaktiven Ventiles (3) durch den dritten Körper (K3) gebildet sind.that the two semi-active valves (3, 4) are fixed by the second and third body (K2, K3) such that the movable valve area (5) of the first semi-active valve (3) and the fixed surface area (7) of the second semi-active valve (4) are formed by the second body (K2) and that the movable valve area (5) of the second semi-active valve (4) and the fixed surface area (7) of the first semi-active valve (3) are formed by the third body ( K3) are formed.
9. Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,9. microminiaturisable valve according to claim 8, characterized in
daß der Ventilkolben (17, 17', 17") und die ihn füh¬ rende Membran (16) durch den zweiten Körper (K2) ge¬ bildet sind.that the valve piston (17, 17 ', 17 ") and the diaphragm (16) guiding it are formed by the second body (K2).
10. Mikrominiaturisierbares Ventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,10. microminiaturisable valve according to claim 8 or 9, characterized in
daß wenigstens zwei der drei Körper (Kl, K2, K3) mit Verfahren der Halbleitertechnologie hergestellt sind. that at least two of the three bodies (Kl, K2, K3) are manufactured using methods of semiconductor technology.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996019689A2 (en) * 1994-12-21 1996-06-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Valve arrangement, in particular for pneumatic control systems
WO1997049926A2 (en) * 1996-06-25 1997-12-31 Bcam International, Inc. Microvalve

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4422971C2 (en) * 1994-06-30 2003-09-04 Bosch Gmbh Robert microvalve
DE19504689A1 (en) * 1995-02-13 1996-08-14 Thomas Dr Grauer Micro-mechanical seat valve with outlet plate
AT410018B (en) 1998-02-06 2003-01-27 Sticht Walter MULTIPLE VALVE
DE10027354C2 (en) * 2000-06-02 2003-08-14 Bartels Mikrotechnik Gmbh Actuator array with fluidic drive, braille display, areal electrical 2D relay, valve array and mirror array with such an actuator array and method for producing an actuator plate for use for such an actuator array

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4895500A (en) * 1988-04-08 1990-01-23 Hoek Bertil Micromechanical non-reverse valve
WO1990015933A1 (en) * 1989-06-19 1990-12-27 Robert Bosch Gmbh Microvalve
WO1991012434A1 (en) * 1990-02-07 1991-08-22 Robert Bosch Gmbh Microvalve
US5176358A (en) * 1991-08-08 1993-01-05 Honeywell Inc. Microstructure gas valve control

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4826131A (en) * 1988-08-22 1989-05-02 Ford Motor Company Electrically controllable valve etched from silicon substrates

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4895500A (en) * 1988-04-08 1990-01-23 Hoek Bertil Micromechanical non-reverse valve
WO1990015933A1 (en) * 1989-06-19 1990-12-27 Robert Bosch Gmbh Microvalve
WO1991012434A1 (en) * 1990-02-07 1991-08-22 Robert Bosch Gmbh Microvalve
US5176358A (en) * 1991-08-08 1993-01-05 Honeywell Inc. Microstructure gas valve control

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996019689A2 (en) * 1994-12-21 1996-06-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Valve arrangement, in particular for pneumatic control systems
WO1996019689A3 (en) * 1994-12-21 1996-09-19 Fraunhofer Ges Forschung Valve arrangement, in particular for pneumatic control systems
WO1997049926A2 (en) * 1996-06-25 1997-12-31 Bcam International, Inc. Microvalve
WO1997049926A3 (en) * 1996-06-25 1998-06-11 Bcam Int Inc Microvalve
US5810325A (en) * 1996-06-25 1998-09-22 Bcam International, Inc. Microvalve

Also Published As

Publication number Publication date
DE4227998C2 (en) 1995-11-02
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