DE69938602T2

DE69938602T2 - Proportionale, mikromechanische vorrichtung

Info

Publication number: DE69938602T2
Application number: DE1999638602
Authority: DE
Inventors: Nadim I. Mountain View MALUF; Kirt R. Portola Valley WILLIAMS; Bert P. Fremont VAN DRIEENHUIZEN; Edward Nelson Manchester FULLER; Richard J. Ann Arbor Barron
Original assignee: GE Novasensor Inc
Current assignee: Panametrics LLC
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2019-09-01
Also published as: AU5905499A; ATE393319T1; JP4831446B2; EP1117937A2; CN1322282A; US6761420B2; EP1117937B1; WO2000014415A2; DE69938602D1; JP2002524698A; US20030098612A1; KR20010090720A; WO2000014415A3

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektromechanische Halbleiter-Mikrovorrichtungen und insbesondere Mikrovorrichtungen mit Geometrien mit hohem Seitenverhältnis und mit einem in Verbindung mit einem Wandler verschiebbaren Element.
Beschreibung des Stands der Technik
Ein Fluidventil umfasst im Allgemeinen einen Fluidanschluss, einen Aktor und eine Ventilstruktur, die zum Öffnen oder Schließen des Fluidanschlusses als Reaktion auf den Aktor beweglich ist. Es gibt zahlreiche Beispiele für Fluidventile. Beispiele für Fluidventile umfassen Magnetventile und Mikroventile, die aus mikrobearbeiteten Halbleitermaterialien hergestellt werden, wie Bimetall-Mikroventile und Mikroventile mit eingeschlossenem Fluid. Mit jeder dieser Arten von Ventilen oder Mikroventilen sind aber zahlreiche Probleme verbunden.
Ein Magnetventil nutzt eine Spule in Form eines Zylinders und weist im Allgemeinen einen Einsatz auf, der durch das Magnetfeld, das bei Leiten elektrischen Stroms durch die Spule erzeugt wird, in den Zylinder gezogen werden kann. Magnetventile werden typischerweise zum Beispiel in einer herkömmlichen Antiblockierbremsanlage verwendet. Magnetventile sind aber für gewöhnlich relativ groß und schwer. Zudem erfordern elektromagnetische Ventile wie Magnetventile häufig relativ hohe elektrische Ströme und können zu einem Auftreten von Spannungsspitzen der Spannungsversorgung führen. Magnetventile können auch Hysterese und somit Nichtlinearität der Reaktion auf zugeführte elektrische Leistung aufweisen. Weiterhin kann der Betrieb von elektromagnetischen Ventilen wie Magnetventilen aufgrund einer relativ großen Verzögerungszeit zwischen der Zufuhr von elektrischem Strom zu diesem Ventil und dem sich ergebenden Magnetfeld und der entsprechenden Kraft relativ langsam sein. In der Praxis ist es schwierig, ein Magnetventil nur teilweise zu öffnen oder zu schließen, und daher werden Magnetventile typischerweise nur als Ein/Aus-Ventile statt als Proportionalventile verwendet.
Ein beispielhaftes Bimetall-Mikroventil nutzt einen aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehenden Aktor. Der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten bewirkt ein Biegen und Geradewerden des Aktors bei Erwärmen oder Kühlen des Aktors, um dadurch eine Strömöffnung zu öffnen oder zu schließen. U.S. Pat. Nr. 5,058,856 offenbart ein solches Bimetall-Mikroventil, das ein erstes und ein zweites Substrat aufweist. Ein erstes Substrat bildet eine Strömöffnung und einen Ventilsitz aus. Ein zweites Substrat bildet eine mit der Strömöffnung ausgerichtete Ventilsitzfläche aus und bildet auch bewegliche Aktoren aus. Die beweglichen Aktoren umfassen erste und zweite Schichten von Materialien mit im Wesentlichen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise eine Siliziumschicht und eine Nickelschicht. Die Aktoren umfassen auch Heizelemente und sind an einem Ende befestigt, so dass ein selektives Beheizen der Aktoren ein Biegen der Aktoren aufgrund des Unterschieds zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten bewirkt. Ein Biegen der Aktoren verschiebt die Ventilsitzfläche weg von oder hin zu dem Ventilsitz, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen und dadurch Fluidströmen durch die Öffnung zu steuern.
Ein Problem in Verbindung mit solchen Bimetall-Mikroventilen ist aber, dass Änderungen der Umgebungstemperatur ungewollt das Mikroventil aktivieren können, da der Aktor als Reaktion auf Temperaturänderungen ausgelöst wird. Zudem steht das beheizte Element, der Aktor, mit dem Fluidstrom in Kontakt und kann dadurch unerwünschterweise das Fluid in dem Strömweg erwärmen, das Heizelement kühlen und den Aktor verschieben. Weiterhin ist die Verschiebung des Aktors auch relativ gering, allgemein in der Größenordnung von 10 ppm/°C.
Ein Beispiel für ein Mikroventil mit eingeschlossenem Fluid wird in dem U.S Pat Nr. 4,824,073 offenbart. Mikroventile mit eingeschlossenem Fluid nutzen das Prinzip der Ausdehnung und des Druckanstiegs einer festen Menge an Fluid oder Gas in einem umschlossenem Hohlraum bei Erwärmen, um eine biegsame dünnen Membran oder Scheidewand, die eine oder mehrere Wände des Hohlraums bildet, wegzubiegen. Wird das eingeschlossene Fluid oder Gas erwärmt, wird die Scheidewand weggebogen, um einen Anschluss zum Steuern von Fluidstrom durch eine Fluidöffnung zu öffnen oder zu schließen. Das Erwärmen des eingeschlossenen Fluids oder Gases kann durch ein Widerstandsheizelement in dem Hohlraum verwirklicht werden, so dass elektrischer Strom durch das Widerstandselement geleitet werden kann, um Wärme zum Erwärmen des Fluids oder Gases zu erzeugen.
Mikroventile mit eingeschlossenem Fluid können relativ große Kräfte erzeugen, so dass sie als Massenfluidsteuergeräte, zum Beispiel zum Steuern hohen Volumens von Fluidstrom, verwendet werden können. Zudem können Mikroventile mit eingeschlossenem Fluid auch proportional betrieben werden, um einen proportionalen Bereich an Fluidsteuerung vorzusehen, d. h. das Ventil kann so gesteuert werden, dass es die Rate des Fluidstroms durch das Ventil gemäß der Größenordnung eines Steuersignals moduliert.
Mikroventile mit eingeschlossenem Fluid weisen aber aufgrund der zum Erwärmen und Kühlen des Fluids erforderlichen Zeit eine relativ langsame Reaktionszeit auf. Weiterhin steht die sich wegbiegende Membran eines Mikroventils mit eingeschlossenem Fluid mit dem Fluid- oder Gasströmweg in Kontakt. Dadurch kann die Temperatur der sich wegbiegenden Membran die Temperatur des Fluids oder Gases in dem Strömweg beeinflussen und umgekehrt.
Weiterhin bietet keines der vorstehend beschriebenen Ventile einen Strömkraft- und/oder Druckkraftausgleich zum Minimieren der Wirkung des Fluidstroms durch das Mikroventil.
Daher besteht Bedarf nach einem Mikroventil, das klein, von geringem Gewicht, kostengünstig, einfach herzustellen ist und das eine schnelle Reaktionszeit hat. Es besteht auch ein Bedarf nach einem Mikroventil, das eine präzise und proportionale Strömsteuerung vorsieht, wobei die Reaktion auf eine Steuerimpulseingabe im Wesentlichen linear ist, ohne Hysterese und mit einem Strömkraft- und/oder Druckkraftausgleich zum Minimieren der Wirkung eines Fluidstroms durch das Mikroventil. Es besteht auch Bedarf nach einem Ventil, bei dem der Betrieb des Ventils nicht zu einer wesentlichen Erwärmung des Fluids oder Gases führt, das durch das Ventil strömt. Weiterhin besteht auch ein Bedarf nach einem Mikroventil, das unabhängig von der Umgebungstemperatur funktioniert. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf.
DE-A-41 01 575 offenbart ein Mikroventil mit ersten und zweiten Schichten. In einem Rahmen in der ersten Schicht ist eine feste Gitterstruktur vorgesehen. Diese Gitterstruktur bildet den Einlass zum Ventil. In einem Rahmen in der zweiten Schicht ist eine zweite Gitterstruktur vorgesehen. Dieser Rahmen ist mittels elastischen Balken mit der zweiten Schicht verbunden. Die zweite Gitterstruktur dient als das schließende Element und als Auslass des Ventils. Eine Bewegung der zweiten Gitterstruktur bezüglich der festen Gitterstruktur zum Öffnen und Schließen des Ventils wird mit Hilfe von Elektrostatik mittels des Anlegens einer elektrischen Spannung zwischen dazwischen gesetzten kammförmigen Lamellenstrukturen erreicht. Eine alternative Anordnung zum Vorsehen der Bewegungskraft beruht auf der Verwendung von Piezoelementen an Stelle von Elektrostatik.
WO-A-99/16096 , die nur unter Paragraph 54(3) EPÜ zulässig ist, offenbart einen Aktor eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS). Der Aktor umfasst ein mikroelektronisches Substrat, beabstandete Auflagen auf dem Substrat und einen sich zwischen den beabstandeten Auflagen erstreckenden gewölbten Metallbalken. Der Aktor umfasst ferner ein Heizelement zum Erwärmen des gewölbten Balkens, um ein weiteres Wölben des Balkens zu bewirken. Der gewölbte Balken erstreckt sich über das Heizelement und basiert auf diesem, so dass von dem Heizelement erzeugte Wärme in eine mechanische Bewegung des gewölbten Metallbalkens umgewandelt wird.
Kurzdarlegung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Mikroventil vorgesehen, welches umfasst:
eine erste Schicht, eine zweite Schicht und eine dritte Schicht, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht angeordnet ist, die erste Schicht eine erste Öffnung durch diese ausbildet und mindestens eine der ersten Schicht und der dritten Schicht eine zweite Öffnung durch diese ausbildet, um Fluidströmen von der ersten Öffnung zu der zweiten Öffnung durch einen in der zweiten Schicht ausgebildeten Strömbereich zuzulassen;
ein verschiebbares Element, das durch die zweite Schicht ausgebildet ist und einen ersten Endteil und einen zweiten Endteil aufweist, wobei das verschiebbare Element verschiebbar ist, um das zweite Endteil gezielt und proportional an einer Stelle zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung im Verhältnis zu entweder der ersten Öffnung oder der zweiten Öffnung anzuordnen;
mindestens einen Aktor, welcher durch die zweite Schicht ausgebildet ist und im Verhältnis zu dem ersten Endteil des verschiebbaren Elements so angeordnet ist, dass er das verschiebbare Element zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung in einer zur zweiten Schicht parallelen Ebene verschiebt, wobei der Aktor eine Welle, die sich im Allgemeinen im Verhältnis zu dem verschiebbaren Element senkrecht erstreckt, und mindestens zwei Wärmeelemente, welche sich von der Welle in einem Winkel zu dieser erstrecken, umfasst, wobei die Wärmeelemente dafür ausgelegt sind, die Welle bei Wärmeausdehnung der Wärmeelemente gegen das erste Endteil des verschiebbaren Elements zu treiben;
ein Paar von elektrischen Kontakten, welche in mindestens einer der ersten und der dritten Schicht zum Vorsehen elektrischen Kontakts zu den Wärmeelementen für deren elektrisches Erwärmen vorgesehen sind; und
eine elektrische Isolierungsstruktur, die Teile der zweiten Schicht elektrisch so isoliert, dass das Fließen von elektrischem Strom zwischen den Kontakten außer durch den Aktor verhindert wird.
Die nachstehend beschriebenen und veranschaulichten bevorzugten Ausführungsformen des Mikroventils umfassen erste, zweite und dritte Schichten, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und dritten Schicht befestigt ist. Alle drei Schichten bestehen bevorzugt im Wesentlichen aus dem gleichen Material. Die erste Schicht und/oder die dritte Schicht bilden Einlass- und Auslassöffnungen aus. Die zweite Schicht bildet einen durch die erste und dritte Schicht umschlossenen Strömbereich, um Fluidströmen zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen strömen zu lassen, ein verschiebbares Element und einen oder mehrere Aktoren zum Betätigten des verschiebbaren Elements zum Öffnen und Schließen des Mikroventils aus. Das verschiebbare Element und der eine oder die mehreren Aktoren hängen zwischen der ersten und dritten Schicht. Die zweite Schicht ist bevorzugt hoch dotiert, um einen niedrigen spezifischen Widerstand zu haben. Elektrische Kontakte für die Aktoren sind bevorzugt durch die dritte Schicht vorgesehen. Bei Betrieb wird mittels der elektrischen Kontakte ein elektrischer Strom durch die Aktoren geleitet, was ein Erwärmen und thermisches Ausdehnen der Aktoren bewirkt. Die Aktoren sind zu dem verschiebbaren Element so angeordnet, das thermisches Ausdehnen der Aktoren ein Verschieben des verschiebbaren Elements in der Ebene der zweiten Schicht im Verhältnis zu einer der Einlass- und Auslassöffnungen zu einer Stellung zwischen einer offenen und geschlossenen Stellung bewirkt. Das verschiebbare Element hat ein hohes Seitenverhältnis (das Verhältnis von Höhe zu Breite) und ist somit in der Ebene der Schichten nachgiebig und aus der Ebene heraus sehr steif.
Die nachstehend beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen eines Mikroventils sind kompakt und leicht herzustellen. Sie können schnell mit einer linearen Reaktion im Wesentlichen ohne Hysterese auf einen Eingabeimpuls reagieren. Im Einzelnen hängt eine kleine verschiebbare Halbleiterstruktur von einer Halbleiterschicht, so dass sie sich in der Ebene der Schicht als Reaktion auf einen Eingabeimpuls präzis bewegen kann. Die verschiebbare Struktur kann als Ventil dienen, das Fluidöffnungen öffnet und schließt, ohne Fluid zu erwärmen, wenn es durch die Öffnungen strömt. Da die Schichten einen abgestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, beeinflusst die Umgebungstemperatur die Bewegung der verschiebbaren Halbleiterstruktur nicht.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der ersten, zweiten und dritten Schicht des proportionalen Mikroventils der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine Querschnittansicht entlang Linie 3-3 von 1;
3 zeigt eine Draufsicht auf einen Aktor mit Platten oder Rippen;
4 und 5 zeigen Draufsichten auf alternative Auslegungen von Aktoren;
6 zeigt eine Querschnittansicht eines Mikroventils mit einer zweiten Einlassöffnung mit einem von gegenüberliegenden Seiten des Mikroventils eindringenden Fluid zum Vorsehen von Druckausgleich;
7 zeigt eine Querschnittansicht eines anderen Mikroventils mit einer zweiten Einlassöffnung mit einem von gegenüberliegenden Seiten des Mikroventils eindringenden Fluid zum Vorsehen von Druckausgleich;
8 und 9 zeigen Teildraufsichten, die verschiebbare Elemente mit Verlängerungen zum Vorsehen von Fluidkraftausgleich veranschaulichen,
10–12 zeigen Teildraufsichten, die das erfindungsgemäße Mikroventil veranschaulichen, das weiterhin eine oder mehrere Prallbleche und Verlängerungen zum Umleiten von Fluidstrom umfasst;
13 zeigt eine Teilquerschnittansicht eines Mikroventils mit einer abgewinkelten Auslassöffnung;
14 zeigt eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen proportionalen Gasmikroventils;
15a–f zeigen einen Herstellungsprozessfluss gemäß der Erfindung;
16 zeigt eine Draufsicht auf ein verschiebbares Element zum Schließen und Öffnen von zwei Einlassöffnungen zur Steuerung von Fluidstrom zu der Auslassöffnung;
17 zeigt ein Schemabild eines Teils einer Antiblockierbremsanlage, das die Nutzung von Ventilen veranschaulicht; und
18 zeigt eine Draufsicht auf ein Mikroventil mit zwei verschiebbaren Elementen zum unabhängigen Schließen und Öffnen von zwei Einlassöffnungen zur Steuerung von Fluidstrom zur Auslassöffnung.
Eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung umfasst eine mikromechanische Halbleitervorrichtung, die eine einen Hohlraum ausbildende Halbleiterschicht umfasst. In dem Hohlraum hängt eine verschiebbare Struktur von den ersten und zweiten Elementen, die ebenfalls in dem Hohlraum aufgehängt sind. Mindestens eines der aufgehängten Elemente dient als Aktor, der die verschiebbare Struktur in dem Hohlraum verschieben kann. Die folgende Beschreibung wird vorgelegt, um einem Fachmann das Vornehmen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen. Beschreibungen spezifischer Anwendungen werden nur als Beispiel vorgesehen. Für den Fachmann sind verschiedene Abwandlungen der bevorzugten Ausführungsform mühelos ersichtlich, und die hierin festgelegten allgemeinen Grundsätze können auf andere Ausführungsformen und Anwendungen übertragen werden, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Somit soll die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern ihr soll der breiteste Schutzumfang zugestanden werden, der mit den hierin offenbarten Grundsätzen und Merkmalen im Einklang steht.
Unter Bezug auf die veranschaulichenden Zeichnungen von 1 und 2 wird dort eine derzeit bevorzugte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroventils 10 gezeigt. Das Mikroventil 10 der ersten Ausführungsform umfasst allgemein drei Schichten oder Substrate: eine erste Schicht 12, eine zweite Schicht 14 und eine dritte Schicht 16. Die erste Schicht 12 bildet eine Einlassöffnung 20 und eine Auslassöffnung 22 aus. Die zweite Schicht 14 ist zwischen der ersten Schicht 12 und der dritten Schicht 16 befestigt und bildet einen Hohlraum 24 mit einer Strömfläche aus, um Fluidströmen zwischen der Einlassöffnung 20 und der Auslassöffnung 22 zu ermöglichen. Die zweite Schicht 14 bildet weiterhin ein verschiebbares Element 26 aus, das als Reaktion auf Wärmeaktoren 28, 30 verschoben werden kann, um die Einlassöffnung 20 zu öffnen und zu schließen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das verschiebbare Element 26 länglich. Elektrische Kontakte 32a, 32b, 34a, 34b zum elektrischen thermischen Beheizen von Aktoren 28, 30 sind jeweils in Durchkontaktierungen durch die dritte oder Deckschicht 16 vorgesehen.
Wenn ein Eingang, beispielsweise elektrischer Strom, durch jeden der Aktoren 28, 30 mittels elektrischer Kontakte 32a–b, 34a–b angelegt wird, übt jeder der Aktoren 28, 30 eine Kraft in eine Richtung aus, die durch Pfeile D28 bzw. D30 angezeigt wird. Die Kräfte in den Richtungen D28 und D30 bewirken ein Verschieben des verschiebbaren Elements 26 in eine Richtung, die durch Pfeil D26 angezeigt wird, so dass mindestens ein Teil des verschiebbaren Elements 26 mit der Einlassöffnung 20 vertikal ausgerichtet wird. Der elektrische Strom dient daher als Eingabeimpuls, der die Aktoren betätigt. Die zumindest teilweise vertikale Ausrichtung des verschiebbaren Elements 26 zu der Einlassöffnung 20 schließt zumindest teilweise die Einlassöffnung 20. Der Betrag der Verschiebung oder Ausrichtung des verschiebbaren Elements 26 kann zum Steuern, zum Beispiel der Fluidströmrate, gewählt werden. Wenn der Eingang nicht länger durch die Aktoren 28, 30 angelegt wird, üben die Aktoren 28, 30 Kräfte in Richtungen entgegen den durch die Pfeile D28 bzw. D30 gezeigten aus, um das verschiebbare Element 26 in seine normalerweise offene Stellung bezüglich der Einlassöffnung 20 zurückzuführen, indem das verschiebbare Element 26 in eine Richtung entgegen der durch Pfeil D26 gezeigten verschoben wird.
Alternativ kann das Mikroventil 10 so ausgelegt sein, dass das verschiebbare Element 26 sich im Verhältnis zur Einlassöffnung 20 in einer normalerweise geschlossenen Stellung befindet und verschiebbar ist, um die Einlassöffnung 20 zu öffnen. In einer anderen alternativen Ausführungsform kann das Mikroventil 10 so ausgelegt sein, dass sich das verschiebbare Element 26 im Verhältnis zur Auslassöffnung 22 in einer normalerweise offenen oder geschlossenen Stellung befindet und zum Schließen oder Öffnen der Auslassöffnung 22 verschiebbar ist.
Bevorzugt besteht jede von erster, zweiter und dritter Schicht 12, 14, 16 aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien. Alternativ können die erste und/oder dritte Schicht 12, 16 aus Glas (Pyrex), leitender Keramik, Stahl, Aluminium und/oder beliebigen anderen Metallmaterialien oder leitenden Materialien bestehen. Die zweite Schicht 14 ist bevorzugt ein Einkristall-Halbleiter (SCS, kurz vom engl. Single Crystal Semiconductor), da er fest, biegsam und beständiger gegenüber Leistungseinbuße ist.
Auch wenn das Mikroventil hierin allgemein als öffnende und schließende Einlassöffnung 20 beschrieben wird, dient eine solche Beschreibung lediglich veranschaulichenden Zwecken, und das Mikroventil 10 kann offensichtlich mühelos zum Öffnen oder Schließen der Auslassöffnung 22 ausgelegt werden. Auch wenn das Mikroventil 10 hierin als normalerweise offenes (N. O.) Ventil beschrieben wird, kann es ferner mühelos so ausgelegt werden, dass es ein normalerweise geschlossenes (N. C.) Ventil ist. Ferner werden zwecks Klarheit und Kürze der vorliegenden Beschreibung nur der Aktor 28 und die entsprechenden elektrischen Kontakte 32a, 32b allgemein beschrieben, auch wenn die Beschreibung entsprechend auf den Aktor 30 und die elektrischen Kontakte 34a, 34b angewendet werden kann.
Die erste und dritte Schicht 12, 16 bilden bevorzugt flache Aussparungen 18 aus, auch wenn in 1 nur die Aussparung 18 in der ersten Schicht 12 gezeigt wird. Die Aussparungen 18 sind in Bereichen ausgebildet, die mit dem verschiebbaren Element 26 und den Aktoren 28, 30 der zweiten Schicht 14 ausgerichtet sind, um einen Freiraum für das Aufhängen des verschiebbaren Elements 26 und der Aktoren 28, 30 zwischen der ersten und dritten Schicht 12, 16 und für deren Verschiebung in dem Hohlraum 24 in der Ebene der zweiten Schicht 14 vorzusehen. Die Aussparungen 18 können auch in Bereichen ausgebildet sein, die mit dem Hohlraum 24 ausgerichtet sind, um das Fluidströmen durch den Hohlraum 24 weiter zu erleichtern. Alternativ oder zusätzlich können das verschiebbare Element 26 und die Aktoren 28, 30 der zweiten Schicht 14 von der ersten und dritten Schicht 12, 16 mit Vertiefung versehen oder verdünnt (nicht dargestellt) sein, um dazwischen einen Freiraum vorzusehen. Ferner können Aussparungen 18 und/oder die Vertiefungen des verschiebbaren Elements 26 und der Aktoren 28, 30 von gleichmäßiger Tiefe oder unterschiedlichen Tiefen sein. In einer Ausführungsform können die Aussparung 18 und/oder die Vertiefungen zum Beispiel einen Freiraum von etwa 0,5 μm in dem Bereich nahe dem Einlass 20 zwischen dem verschiebbaren Element 26 und jeder von erster und dritter Schicht 12, 16 vorsehen, um Fluidlecken durch Verringern des Abstands zwischen dem verschiebbaren Element 26 und der Einlassöffnung 20 zu minimieren, wenn das verschiebbare Element 26 über der Einlassöffnung 20 ausgerichtet ist, um Fluidströmen zu sperren. Zudem können die Aussparung 18 und/oder Vertiefungen einen Freiraum von in etwa 1 μm oder weniger in anderen Bereichen, beispielsweise den Bereichen zwischen den Aktoren 28, 30 und jeder von erster und dritter Schicht 12, 16, vorsehen, um eine Fluid- oder Gasdruckdifferenz zu minimieren.
Wenn das Mikroventil 10 als Fluidventil verwendet wird, weisen die Aussparungen 18 der ersten Ausführungsform bevorzugt eine Tiefe von in etwa 0,5 μm auf. Dadurch wird zwischen einer Fläche der Aussparung 18 und einem Anschlagendteil 42 ein Spalt gebildet, wenn sich das verschiebbare Element 26 in einer geschlossenen Stellung befindet. Ein Fluidlecken durch das Mikroventil 10 ist selbst bei einem solchen Spalt minimal. Diese Räume umfassen Räume in dem Hohlraum 24 und zwischen Rippen 48, 50. Nach Füllen dieser Räume mit Fluid wird weiteres Fluidlecken durch die Größe des Spalts kombiniert mit Fluidspannung weiter beschränkt. Dieses geringe Lecken wurde bereit durch einen größeren Spalt von 5 μm bei einem herkömmlichen Magnetfluidventil nachgewiesen, das derzeit bei Antiblockierbremsanlagen verwendet wird. Dadurch ist bei bestimmten Anwendungen das Vorsehen von Aussparungen 18 von in etwa 0,5 μm Tiefe bei einem fluidischen Mikroventil bevorzugt.
Die zweite Schicht 14 ist bevorzugt dotiert, bevorzugter stark dotiert, zum Beispiel ein stark dotierter Einkristall-P-Halbleiter (SCS, kurz vom engl. Single Crystal Semiconductor). Durch Dotieren weist die zweite Schicht 14 einen geringen spezifischen Widerstand auf. Ein geringer spezifischer Widerstand erleichtert verstärktes Fließen von elektrischem Strom durch die Wärmeaktoren 28, 30. Elektrischer Strom kann durch die Aktoren 28, 30 mittels der Kontakte 32a, b und 34a, b angelegt werden. Durch Verstärken des an den Kontakten 32a, b und 34a, b angelegten elektrischen Stroms nimmt die Wärmeausdehnung der Aktoren 28, 30 zu, was zu einem Anstieg der von den Aktoren 28, 30 ausgeübten Kräfte auf das verschiebbare Element 26 führt.
Der spezifische Widerstand ρ der zweiten Schicht 14 beträgt bevorzugt etwa 0,001–0,01 Ω·cm, so dass ein Stromfluss von einer Seite zur anderen Seite der Rippen 48 zu einem Sollerwärmungsbetrag und einer Sollwärmedissipation durch die Rippen führt. Wenn die Rippen 38 aus Silizium sind, können die Rippen 48 Temperaturen von bis zu 1.000°C und bevorzugt bis zu etwa 500°C standhalten. Bevorzugt werden die Siliziumrippen 48 auf zwischen 10°C bis 500°C erwärmt und bevorzugter auf zwischen 100° bis 200°C. Wie offensichtlich ist, hängt die Betätigung des Mikroventils 10 von dem Erwärmen von Rippen 48 im Verhältnis zur Temperatur des Rests des Mikroventils 10 ab und ist von der Umgebungstemperatur unabhängig.
Die elektrischen Kontakte 32a–b sind in der dritten Schicht 16 vorgesehen und sind mit dem Wärmeaktor 28 vertikal ausgerichtet. Die elektrischen Kontakte 32a–b sehen durch Durchkontaktierungen 35 elektrischen Kontakt für das Anlegen elektrischen Stroms an den Aktoren 28 vor. Die Rippen 48 dienen als leitende Wege durch die hoch dotierte zweite Schicht 14 zwischen den Kontakten 32a und 32b. Die Kontakte 32a–b stehen bevorzugt in elektrischem Kontakt mit Bereichen der zweiten Schicht 14, die mit Ausnahme von durch die Rippen 48 gebildeten Stromleitwegen isoliert sind. Eine solche elektrische Isolierung kann durch Vorsehen von Gräben 36 in der zweiten Schicht 14 hergestellt werden, um einen Kurzschluss zwischen den elektrischen Kontakten 32a und 32b zu verhindern. Die Gräben 36 können mit einem dielektrischen Material zum Einebnen der Gräben 36 gefüllt sein. Alternativ kann durch Oxidieren der Rippen 48 eine elektrische Isolierung hergestellt werden, um einen Kurzschluss durch das Fluid zwischen den elektrischen Kontakten 32a und 32b zu verhindern.
Eine zusätzliche elektrische Isolierung zwischen den Rippen 48 und 50 ist unnötig, da die Rippen 48, 50 den Weg des geringsten Widerstands zwischen den Kontakten 32a, 32b bzw. zwischen den Kontakten 34a, 34b vorsehen, wenn jeder Satz von Rippen 48, 50 unabhängig angesteuert wird. Ferner wird auch elektrische Isolierung zwischen der ersten und zweiten Schicht 12, 14 und zwischen der zweiten und dritten Schicht 14, 16 erreicht, da die erste und dritte Schicht 12, 16 im Gegensatz zur zweiten Schicht 14 einen geringen Dotierwert aufweisen und nur minimal elektrisch leitend sind, so dass der angelegte elektrische Strom in der zweiten Schicht 14 bleibt. Wenn die Schichten 12, 14, 16 Silizium umfassen, kann die Oberfläche der Schichten 12, 14, 16 ebenfalls oxidiert werden, um weitere elektrische Isolierung vorzusehen.
Es wird festgestellt, dass die elektrischen Kontakte 32a, 32b mit den Rippen 48 des Aktors 28 vertikal ausgerichtet sind, so dass einer der Kontakte (z. B. 32a) mit den Rippen an einer Seite des Isolierungsgrabens 36 vertikal ausgerichtet ist und der andere der Kontakte (z. B. 32b) mit den Rippen an der anderen Seite des Grabens 36 vertikal ausgerichtet ist. Die Kontakte 34a, 34b sind mit den Rippen 50 des Aktors 30 in ähnlicher Weise vertikal ausgerichtet. Es versteht sich, dass eine solche vertikale Ausrichtung ein kompakteres Mikroventil vorsieht.
Das verschiebbare Element 26 weist einen ersten Aktorendteil 40 in Kontakt mit Wärmeaktoren 28, 30 und einen zweiten Anschlagendteil 42, der zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung 20 angeordnet und geformt ist, auf. Das verschiebbare Element 26 wird in der Querschnittfläche von dem ersten Aktorendteil 40 zu dem Anschlagendteil 42 größer. Die größere Querschnittfläche an dem zweiten Anschlagendteil 42 maximiert die Fähigkeit des verschiebbaren Elements 26, Differenzfluiddrücken standzuhalten.
In einer vorliegenden Ausführungsform umfasst jeder der Aktoren 28, 30 eine Welle 44, 46 mit jeweils davon abstehenden Rippen 48, 50, wobei die Wellen 44, 46 im Allgemeinen senkrecht zu dem verschiebbaren Element 26 sind. Dadurch bewirkt ein Anlegen eines elektrischen Stroms durch die Rippen 48 deren thermisches Ausdehnen, was wiederum die Welle 44 eine Kraft auf das verschiebbare Element 26 in einer durch Pfeil D28 angezeigten Richtung ausüben lässt. Somit versteht sich, dass bei der vorliegenden Ausführungsform die Welle 44, 46 und die Rippen 48, 50 eine Einheitsstruktur bilden, die sowohl zum Abhängen des verschiebbaren Elements 26 in dem Hohlraum 24 als auch zum Ausüben einer Verschiebungskraft auf das verschiebbare Element 26 dient.
Auch wenn die Wärmeaktoren 28, 30 in einem mit Fluid zu füllenden Hohlraum 24 angeordnet sind, werden die Wärmeaktoren 28, 30 zudem bevorzugt außerhalb der Fläche von Fluidströmen zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen 20, 22 angeordnet. Das Fluid in der Fläche außerhalb des Fluidströmbereichs würde im Allgemeinen stagnieren und es würde im Wesentlichen ein Unterdruck zum Beseitigen dieses Totvolumens des Fluids erforderlich sein. Wenn das Fluid ein Wärmeisolator ist, kann somit das Totvolumen des Fluids auch als Wärmeisolator zwischen den Wärmeaktoren 28, 30 und dem Fluidstrom dienen, um zu verhindern, dass der Fluidstrom dadurch erwärmt wird.
Die Aktoren 28, 30 und das verschiebbare Element 26 hängen in dem Hohlraum 24 zwischen der ersten und dritten Schicht 12, 16. Im Einzelnen sind die Rippen 48 an einem Ende an der zweiten Schicht 14 verankert oder befestigt, so dass die Rippen 48 durch die zweite Schicht 14 zwischen der ersten und dritten Schicht 12, 16 aufgehängt sind. Die Welle 44 und das verschiebbare Element 26 sind wiederum ähnlich aufgehängt, wobei die Welle 44 durch die Rippen 48 getragen wird und das verschiebbare Element 26 durch die Wellen 44, 46 getragen wird. Weiterhin weisen die Wärmeaktoren 28, 30 hohe Seitenverhältnisse (das Verhältnis von Höhe zu Breite) auf, die durch tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE, kurz vom engl. Deep Reaction Ion Etching) gebildet werden. Die Wärmeaktoren 28, 30 weisen bevorzugt Seitenverhältnisse in dem Bereich von 1:1 bis 50:1 und bevorzugter von in etwa 20:1 auf. Das verschiebbare Element 26 weist bevorzugt ein Seitenverhältnis in dem Bereich von 0,5:1 bis 50:1 und bevorzugter von in etwa 1:1 auf. Somit sind Rippen 48, Welle 44 und verschiebbares Element 26, die abgehängt sind, allesamt in der Ebene der zweiten Schicht 14 verschiebbar, während sie in der Richtung der Verschiebung durch die jeweilige Tragstruktur beschränkt sind.
Der Aktor 28 wird in 3 näher gezeigt. Da die Rippen 48 an einem Ende an der zweiten Schicht 14 verankert sind, können sich die Rippen 48 hin zum verankerten Ende nicht thermisch ausdehnen. Vielmehr können sich die Rippen 48 hin zur Welle 44 thermisch ausdehnen. Jedes Ende der Rippe 48 ist bevorzugt zulaufend, um an den Übergängen zwischen Rippe 48 und zweiter Schicht 14 und/oder zwischen Rippe 48 und Welle 44 einen kleineren Querschnitt zu erreichen. Der zulaufende Übergang erlaubt eine Scharnierwirkung und somit eine Verschiebung der Welle 44. Zudem befinden sich die Rippen 48 bei einem Winkel θ im Verhältnis zur Senkrechten der Welle 44, so dass bei thermischem Ausdehnen der Rippen 48 die Rippen 48 die Welle 44 hin zum ersten Aktorendteil 40 des verschiebbaren Elements 26 verschieben. Der Rippenwinkel θ ist für die Zwecke des Verstärkens der Verschiebung der Welle 44 bevorzugt relativ klein, zum Beispiel zwischen 2 und 5°. Ein kleiner Winkel θ maximiert die Verschiebung der Welle 44 hin zum Aktorendteil 40 des verschiebbaren Elements 26 für einen vorgegebenen Betrag von Wärmeausdehnung jeder Rippe 48.
Zum Verstärken der Kraft, die die Welle 44 auf den Aktorendteil 4 des verschiebbaren Elements 26 ausübt, können zusätzliche Paare von Rippen 48 vorgesehen werden. Der Aktor 28 kann zum Beispiel fünf Paar Rippen 48 aufweisen, wie in 1 und 2 gezeigt wird. Die Anzahl an Rippenpaaren kann eindeutig mühelos verändert werden, um die auf den Anschlagendteil 42 des verschiebbaren Elements 26 ausgeübte Sollkraft zu erreichen. Bevorzugt werden die Rippen 48 in Paaren vorgesehen, eine im Verhältnis zur Welle gegenüber der anderen, so dass von den Rippen 48 ausgeübte Kräfte senkrecht zur Welle 44 durch gegenüberliegende Rippen 48 aufgehoben werden. Somit ist die durch die Rippen 48 ausgeübte Nettokraft parallel zur Welle 44, und die Welle 44 übt wiederum die Kräfte auf den Aktorendteil 40 des verschiebbaren Elements 26 aus.
In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ist jede Rippe 48 in etwa 200–2000 μm lang, 50–200 μm breit und 400 μm hoch und hat somit ein Seitenverhältnis von in etwa 2:1 bis 8:1. Die Welle 44 ist bevorzugt 1 bis 2 mm lang und hat ein Seitenverhältnis von in etwa 5:1 bis 10:1. Zudem ist das verschiebbare Element 26 bevorzugt in etwa 6 mm lang, 250–1000 μm breit und 400 μm hoch. Somit führt das Vorsehen von 5 Paaren von Siliziumrippen für jeden der Aktoren 28, 30 und Anlegen eines gesamten elektrischen Stroms von 20 Ampere durch die Rippen 48, 50 zu einer Kraft von in etwa 15–20 N, die von den Wellen 44, 46 auf den Aktorendteil 40 des verschiebbaren Elements 26 ausgeübt wird. Diese Kraft setzt sich in eine Kraft von in etwa 0,5 N und eine Verschiebung von 150–200 μm am Anschlagendteil 42 des verschiebbaren Elements 26 um. Eine Verschiebung von in etwa 400 μm am Anschlagendteil 42 des verschiebbaren Elements 26 kann mit dem Mikroventil 10 mit ähnlichen Maßen mühelos erreicht werden. Ein solches Mikroventil kann eine Schaltzeit von unter 10 ms haben, kann einem Fluiddruck von bis zu in etwa 5 kpsi mit Druckausgleich des verschiebbaren Elements 26 standhalten, wie erläutert wird, und kann über 0,5 Liter pro Minute Fluidströmen bewältigen.
Die Wellen 44, 46 der Wärmeaktoren 28, 30 sind im Verhältnis zum verschiebbaren Element 26 so angeordnet, dass sie bei Verschiebung der Wellen 44, 46 hin zum Aktorendteil 40 eine Verschiebungsdrehmomentkraft auf den Aktorendteil 40 ausüben. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Verschiebungskraft im Wesentlichen eine Drehmomentkraft um einen Ort des Elements 26 zwischen der ersten und zweiten Welle 44, 46, wie durch Pfeil D26 gezeigt wird. Wie in 1 gezeigt sind die Aktoren 28, 30 bevorzugt an gegenüberliegenden Seiten des verschiebbaren Elements 26 angeordnet und zueinander entlang der axialen Länge des verschiebbaren Elements 26 versetzt. Der Versetzungsabstand kann entsprechend der Solldrehmomentkraft an und der Verschiebung des Anschlagendteils 42 des verschiebbaren Elements 26 gewählt werden. Da ein Wahren von Energie vorliegen muss, ist die Verschiebung der Welle 44 im Allgemeinen umgekehrt proportional zu der von der Welle 44 ausgeübten Kraft. Ein größerer Versetzungsabstand würde anders ausgedrückt zu einer größeren Verschiebungskraft an und einer kleineren Verschiebung des Anschlagendteils 42 führen. Ein kleinerer Versetzungsabstand würde dagegen zu einer kleineren Drehmomentkraft an und einer größeren Verschiebung des Anschlagendteils 42 führen. Somit können der Abstand, bei dem die Wärmeaktoren 28, 30 entlang der axialen Länge des verschiebbaren Elements 26 voneinander versetzt sind, so gewählt werden, dass der Sollausgleich zwischen Drehmoment und Verschiebung erreicht wird.
Zum Betätigen des Wärmeaktors 28 wird zwischen den elektrischen Kontakten 32a, 32b elektrischer Strom angelegt, um die Rippen 48 zu erwärmen, was ein thermisches Ausdehnen der Rippen 48 bewirkt. Das thermische Ausdehnen der Rippen 48 dient zum Verschieben der Welle 44 hin zum ersten Aktorendteil 40 des verschiebbaren Elements 26. Analog wird ein elektrischer Strom gleichzeitig zwischen den elektrischen Kontakten 34a, 34b angelegt, um die Rippen 50 zu erwärmen, was ein thermisches Ausdehnen der Rippen 50 bewirkt. Das thermische Ausdehnen der Rippen 50 verschiebt auch die Welle 46 hin zum Aktorendteil 40 des verschiebbaren Elements 26. Da die Wellen 44, 46 entlang der axialen Länge des verschiebbaren Elements 26 voneinander versetzt sind, wird das verschiebbare Element 26 in der Ebene der zweiten Schicht 14 an einem Ort des verschiebbaren Elements 26 in etwa in der Mitte zwischen den Wellen 44, 46 verschoben. Das Verschieben des verschiebbaren Elements 26 bewirkt ein Verschieben des zweiten Anschlagendteils 42 im Verhältnis zur Einlassöffnung 20, um die Einlassöffnung 20 zu öffnen oder zu schließen.
Da die Beziehung zwischen dem Betrag angelegten elektrischen Stroms und dem Ausmaß der Verschiebung des zweiten Anschlagendteils 42 des verschiebbaren Elements 26 im Verhältnis zur Einlassöffnung 20 im Allgemeinen ohne Hysterese ist, kann der Betrag des angelegten Stroms so gesteuert werden, dass der Pegel an Fluidströmen durch das Mikroventil 10 gesteuert wird. Das Steuern des angelegten elektrischen Stroms steuert das Ausmaß der thermischen Ausdehnung der Rippen 48, 50, der Verschiebung der Wellen 44, 46, der Drehung des verschiebbaren Elements 26 und somit der Verschiebung des zweiten Anschlagendteils 42 im Verhältnis zur Einlassöffnung 20. Somit kann das proportionale Ausmaß, bei dem der Anschlagendteil 42 des verschiebbaren Elements 26 Strömen durch die Einlassöffnung 20 öffnet und schließt, und der sich ergebende Fluidstrom durch das Mikroventil 10 durch Steuern des Betrags des angelegten elektrischen Stroms präzis gesteuert werden. Alternativ kann der an dem Mikroventil angelegte elektrische Strom gepulst werden, um die Öffnung zu öffnen und zu verschließen. Bei pulsbreitenmodulierten Eingangssignalen, die für die gleiche mittlere Leistungszufuhr und somit die gleiche Erwärmung zeitgesteuert sind, kann dadurch die Gesamtsollfluidstromrate erreicht werden.
Die Form der Einlassöffnung 20 kann ähnlich der Form des Anschlagendteils 42 des verschiebbaren Elements 26 sein, wie in 1 gezeigt wird. Eine solche Form maximiert die Fläche der Einlassöffnung 20, die durch eine vorgegebene Verschiebung des Anschlagendteils 42 des verschiebbaren Elements 26 freigelegt wird, d. h. minimiert die Verschiebung des Anschlagendteils 42 des verschiebbaren Elements 26, um eine vorgegebene Fläche der Einlassöffnung 20 freizulegen. Die Auslassöffnung 22 kann von jeder geeigneten Form sein und ist in Anbetracht der Auslegung des Mikroventils 10 bevorzugt von einer maximalen Größe, um die Wirkung der Auslassöffnung 22 auf das Fluidströmen zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen 20, 22 zu minimieren. Natürlich kann jede andere geeignete Form und Größe von Einlassöffnung 20 und Auslassöffnung 22 genutzt werden, und die Einlassöffnung 20 und die Auslassöffnung 22 können von unterschiedlichen Formen sein.
Nachdem elektrischer Strom nicht mehr an den elektrischen Kontakten 32a, 32b angelegt wird, darf sich der Aktor passiv abkühlen und das verschiebbare Element 26 zu seiner offenen Stellung zurückführen. Wenn zwei oder mehr Aktoren verwendet werden, kann alternativ ein Aktor zum Öffnen verwendet werden und der andere Aktor kann zum Schließen des Mikroventils 10 verwendet werden. Es ist wünschenswert, eine Wärmesenke (nicht dargestellt) vorzusehen, die ein wärmeleitendes Metall oder eine wärmeleitende Keramik, beispielsweise Aluminium, umfasst, das an der unteren Fläche der ersten Schicht 12 angebracht ist.
Alternative Auslegungen von Wärmeaktoren und verschiebbaren Elementen können mühelos angepasst und in dem erfindungsgemäßen Mikroventil eingesetzt werden. Wärmeaktoren und verschiebbare Elemente sollten so ausgelegt werden, dass sie die von den Wärmeaktoren ausgeübte Kraft zu einer Verschiebung des verschiebbaren Elements 26 umwandeln. 4 zeigt zum Beispiel eine Draufsicht auf alternative Aktoren 126, 128, und zwei verschiebbare Elemente 112, 113, die bei einem Winkel im Verhältnis zu jedem der Aktoren 126, 128 angeordnet sind, um den Anschlag 116 in die durch Pfeil 118 gezeigten Richtungen zu verschieben. Der Winkel der verschiebbaren Elemente 112, 114 im Verhältnis zu den Wellen 44, 46 kann jeweils so gewählt werden, dass er die Verschiebung des Anschlags verstärkt. Das Vergrößern der Verschiebung des Anschlags 116 würde aber die Kraft am Anschlag 116 mindern, da die Beziehung zwischen Verschiebung und Kraft natürlich auch hier gelten würde.
Wie in der Teildraufsicht von 5 gezeigt wird, können die Aktoren 118, 120 alternativ an der gleichen Seite des verschiebbaren Elements 26 angeordnet werden. Bei dieser Auslegung kann das verschiebbare Element 26 so verschoben werden, dass es eine Einlassöffnung 20 durch Betätigen nur des Aktors 118 öffnet. Das Nutzen nur eines Aktors führt zur Hälfte der Kraft und der Hälfte der Verschiebung des verschiebbaren Elements 26. Diese Auslegung hat aber den Vorteil, dass das verschiebbare Element 26 zum Schließen der Einlassöffnung 20 durch Betätigen des Aktors 120 verschoben werden kann, bevor der Aktor 118 passiv abgekühlt ist und zu seiner anfänglichen Position zurückgekehrt ist. Dies steht im Gegensatz zu Auslegungen mit Aktoren an gegenüberliegenden Seiten des verschiebbaren Elements, die das passive Kühlen der Aktoren zum Verschieben des verschiebbaren Elements zurück zur geschlossenen Stellung nutzen.
In einer noch anderen Ausführungsform können ein oder mehrere (nicht dargestellte) Sensoren integral an dem verschiebbaren Element befestigt werden. Der Sensor kann eine Vorrichtung wie zum Beispiel ein Piezowiderstand sein, der seine elektrischen Eigenschaften bei Auftreten von Änderungen der mechanischen Spannung in dem verschiebbaren Element ändert, zum Beispiel wenn er sich während Verschiebung biegt. Der Piezowiderstand kann an einer Seitenfläche einer Rippe angeordnet werden. Die Änderung der elektrischen Eigenschaften des Piezowiderstands kann zum Erfassen der Verschiebung oder Bewegung des verschiebbaren Elements verwendet werden.
Wie offensichtlich ist, können zahlreiche andere Auslegungen von Wärmeaktoren und verschiebbaren Elementen mühelos angepasst und in einem erfindungsgemäßen Mikroventil 10 verwendet werden, um eine Verschiebung des zweiten Anschlagendteils 42 zu erreichen. Zum Beispiel kann einer der beiden Aktoren des Mikroventils von 1 durch einen einzelnen Balken zum Verankern und/oder Schwenken des verschiebbaren Elements ersetzt werden. Das verschiebbare Element kann somit um einen Drehmittelpunkt oder einen Schwenkpunkt gedreht werden, der sich entlang des verschiebbaren Elements in etwa auf halber Strecke zwischen dem festen Balken und der Welle des Aktors befindet. Somit wäre das verschiebbare Element durch die thermische Betätigung des einzigen Aktors zwischen einer offenen und geschlossenen Stellung verschiebbar.
Unter Bezug nun auf 6 wird dort eine Querschnittansicht einer anderen Ausführungsform gezeigt, bei der die dritte Schicht 16 des Mikroventils 10' für Fluiddruckausgleich eine zweite Einlassöffnung 52 bildet, die gegenüber der Einlassöffnung 20 angeordnet ist. Die Einlassöffnung 20 und die zweite Einlassöffnung 52 leiten somit Fluid in den Hohlraum 24, so dass das Fluid auf gegenüberliegende Seiten des Anschlagendteils 42 trifft, wenn sich das verschiebbare Element 26 in der geschlossenen Stellung oder zwischen der offenen und geschlossenen Stellung befindet. Dies gleicht zumindest teilweise den auf das verschiebbare Element ausgeübten Fluiddruck aus, der sich aus dem in den Hohlraum 24 eindringenden Fluid ergibt. Der auf den Anschlagendteil 42 ausgeübte Fluiddruck tritt ein, wenn das Mikroventil 10' sich in der geschlossenen Stellung oder zwischen der offenen und geschlossenen Stellung befindet so dass der Anschlagendteil 42 teilweise in einem Bereich angeordnet ist, der mit der Einlassöffnung 20 vertikal ausgerichtet ist. Wenn Fluid durch die Einlassöffnung 20 strömt, trifft Fluid auf eine Fläche des Anschlagendteils 42 benachbart zur ersten Schicht 12 auf und übt auf diese Druck aus und dringt in den Hohlraum 24 ein. Auch wenn das verschiebbare Element 26 einer derzeit bevorzugten Ausführungsform in etwa 300–500 psi Fluiddruck standhalten kann, wenn das verschiebbare Element 26 aus Silizium besteht, ist es somit wünschenswert, den auf den Anschlagendteil 42 des verschiebbaren Elements 26 ausgeübten Fluiddruck auszugleichen. Ein vollständiger Ausgleich ist aber unnötig, da die inhärente Festigkeit des Materials, beispielsweise Silizium, leicht einem relativ kleinen Druckungleichgewicht standhalten kann. Durch Vorsehen der gegenüberliegenden zweiten Einlassöffnung 562 kann das Mikroventil 10 somit Fluiddrücken bis zu tausenden von psi standhalten.
8 zeigt eine Querschnittansicht einer anderen alternativen Ausführungsform, die einen Einlasskanal 56 und einen zweiten Einlasskanal 52' umfasst, um die vertikalen Fluidaufprallkräfte auf das verschiebbare Element 26 zu kompensieren bzw. auszugleichen. Der Einlasskanal 56 erstreckt sich durch die erste, zweite und dritte Schicht 12, 14, 16 und leitet den Strom durch die zweite Einlassöffnung 52 in den Hohlraum 24. Somit kann Fluid durch die erste Schicht 12 des Mikroventils 10'' eingeleitet und so gelenkt werden, dass es von Gegenrichtungen in den Hohlraum 24 eingeleitet wird. Die vierte Schicht 54 ist vorgesehen, um den Einlassdurchlass 56 über der dritten Schicht 16 abzudecken, und ist so angeordnet, dass sich die dritte Schicht zwischen der zweiten und vierten Schicht 14, 54 befindet.
Unter Bezug nun auf die Teildraufsichten von 8–12 ist der Anschlagendteil 42 des verschiebbaren Elements 26 zusätzlich zu dem Fluiddruck aufgrund von Fluidaufprallkräften auch einer örtlich begrenzten Fluidkraft auf die Fluidstromeinlassfläche 58 sowie Strömungsstörungen ausgesetzt. Die örtlich begrenzte Kraft auf der Fläche 58 wird durch eine Biegung in dem Strömweg verursacht, wenn Fluid durch die Einlassöffnung 20 und/oder die zweite Einlassöffnung 52 in den Hohlraum 24 eindringt. Diese Kraft drückt das zu verschiebende verschiebbare Element 26 in die durch die Ausrichtung der Fluidkraft festgelegte Richtung. Somit ist es auch wünschenswert, die Abnahme der örtlich begrenzten Kraft sowie die Strömungsstörungen in der gleichen Ebene wie die Bewegung des verschiebbaren Elements auszugleichen.
8–12 zeigen verschiedene Verfahren und Auslegungen zum Erreichen des Ausgleichs von Fluidkräften. Jede der in 8–12 gezeigten Ausführungsformen umfasst eine Fluidkraftkopplungsfläche, auf die aus der Einlassöffnung 20 zur Auslassöffnung 22 strömendes Fluid auftrifft, um das verschiebbare Element 26 einer Kopplungskraft auszusetzen, die von dem Fluid ausgeübt wird. Die Kopplungskraft wird entweder durch das Auftreffen des Fluidstroms auf eine andere Fläche als die Fläche 58 (in 9 und 10 gezeigte Ausführungsformen) oder durch Umleiten oder zumindest Stören des Fluidstroms zurück zu der Fläche 58 (in 10–12 gezeigte Ausführungsformen) bewirkt.
Wie in 8 gezeigt kann das verschiebbare Element 26a weiterhin eine im Allgemeinen U-förmige Verlängerung 60 umfassen, um ein P-förmiges verschiebbares Element 26a zu bilden, wobei die U-förmige Verlängerung 60 zumindest teilweise die Auslassöffnung 22 umgibt oder umschließt. Der Fluidstrom würde eine Kraft auf die U-förmige Verlängerung 60 ausüben, um mindestens teilweise die örtlich begrenzte Kraft an der Fläche 58 des Anschlagendteils 42 zu kompensieren und auszugleichen Die U-förmige Verlängerung 60 umgibt zusätzlich den Fluidstrom zwischen dem Anschlagendteil 42 des verschiebbaren Elements und der Verlängerung 60 und kann somit auch das Fluidlecken des Mikroventils verringern. Die Endnutzung ermöglicht weiterhin, dass der Druck außerhalb der Einfassung relativ konstant ist, was zu wenig oder keinem Nettodruck aus den Bereichen außerhalb der Einfassung führt. Andere geeignete Formen der Verlängerung 60 können verwendet werden, beispielsweise L-förmig zum Bilden eines h-förmigen verschiebbaren Elements (nicht dargestellt).
Wie in 9 gezeigt kann das verschiebbare Element 26b alternativ eine zwischen dem Einlass 20 und dem Auslass 22 angeordnete Verlängerung 62 umfassen, statt den Auslass 22 zu umgeben. Die Verlängerung 62 leitet den Fluidstrom so um, dass der Fluidstrom eine Kraft auf die Verlängerung 62 ausübt, um zumindest teilweise die örtlich begrenzte Abnahmekraft an der Fläche 58 des Anschlagendteils 42 zu kompensieren und auszugleichen.
Wie in 10–12 gezeigt können ein oder mehrere an der ersten Schicht 12 und/oder der dritten Schicht 16 befestigte Elemente alternativ oder zusätzlich in dem Hohlraum 24 vorgesehen werden, um den Fluidstrom umzuleiten, um die örtlich begrenzte Kraft an der Fläche 58 des Anschlagendteils 42 zu kompensieren oder auszugleichen. Wie in 10 gezeigt kann das Element 64 in dem Hohlraum 24 vorgesehen werden, und das verschiebbare Element 26a kann die Verlängerung 60 umfassen, um den Fluidstrom darin einzuschließen. Die Kombination aus Verlängerung 60 und Element 64 kann zu einem Kraftausgleich ohne Umleiten des Fluidstroms an dem verschiebbaren Element 26a führen. Alternativ kann das Prallblech 66 eine gebogene Fläche umfassen, wie in 11 gezeigt wird, um ein Strömen hin zur Fläche 58 umzuleiten, wodurch die Kraft ausgeglichen wird. 12 zeigt ein Mikroventil mit einem gebogenen Prallblech 68 und Prallblechen 70, die ebenfalls einen Strom um die Prallbleche umleiten, um die Fluidkräfte zu kompensieren und auszugleichen.
13 ist eine veranschaulichende Zeichnung einer noch anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der ein gewinkelter Auslass 72 und ein gewinkelter Einlass 20a als Fluidkraftstromausgleichselemente dienen. Auch wenn der gewinkelte Auslass 72 und der gewinkelte Einlass 20a in 13 teilweise durch eine andere Schicht 73 ausgebildet gezeigt sind, können sie nur durch die erste Schicht 12 ausgebildet sein. Fluid strömt in den Hohlraum 24 durch den gewinkelten Einlass 20a in eine durch Pfeil 74 gezeigte Richtung bei einem Eintrittswinkel α und tritt aus dem Hohlraum 24 in einer durch Pfeil 76 gezeigten Richtung bei einem Austrittswinkel ϕ aus. Der Eintrittswinkel α wird durch die Verschiebung des Anschlagendteils 42 des verschiebbaren Elements 26 gesteuert, während der Austrittswinkel ϕ im Allgemeinen eine Konstante ist. Die Fluideintritts- und Fluidaustrittswinkel α, ϕ werden so gewählt, dass sie die Strömkräfte ausgleichen. Somit übt der Fluidaustrittsstrom bei dem Austrittswinkel ϕ Kräfte aus, die die von dem Fluideintrittsstrom bei Eintrittswinkel α ausgeübten Kräfte ausgleichen.
Unter Bezug nun auf 14 wird dort eine Querschnittansicht einer noch anderen alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroventils 78 gezeigt. Das Mikroventil 78 kann als Gasventil genutzt werden Bei dem Gasmikroventil 78 ist der Spalt zwischen der Aussparung 18 und dem Anschlagendteil 42 bevorzug kleiner als der 0,5 μm Spalt für das fluidische Mikroventil 10, wenn sich das verschiebbare Element 26 in einer geschlossenen Stellung befindet. Das Minimieren des Spalts verhindert oder minimiert Gaslecken, da Lecken nicht durch Fluidspannung wie bei einem Fluidventil vermindert wird. Die Größe des Spalts kann durch Verringern der Tiefe der Aussparungen 18 in der ersten Schicht 12 und/oder der dritten Schicht 16 verringert werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Größe des Spalts durch Vorsehen von Flanschen 80 an einer Einlassfläche des Anschlagendteils 42 des verschiebbaren Elements 26 weiter verringert werden. Die Flansche 80 verbessern die Abdichtung zwischen der Einlassfläche des Anschlagendteils 42 und dem Einlass 20b, wenn sich das verschiebbare Element 26 in einer geschlossenen Stellung befindet. Bevorzugt ist ein Einlasskanal 79 durch die erste und zwischen Schicht 12, 14 vorgesehen, um Gasstrom durch die Einlassöffnung 20b in den Hohlraum 24 zu leiten, so dass Gas in einer Richtung parallel zur Ebene der zweiten Schicht 14 in den Hohlraum 24 eindringt. Die Einlassöffnung 20b ist bevorzugt entlang einer Seitenwand des Hohlraums 24 ausgebildet, die im Allgemeinen senkrecht zur Ebene der zweiten Schicht 14 ist. Somit bewirkt ein Verschieben des verschiebbaren Elements 26 in der Ebene der zweiten Schicht 14 zum Schließen des Einlasses 20b auch, dass die Flansche 80 eine bessere Abdichtung gegenüber dem Einlass 20 bilden.
Die Herstellung eines Mikroventils einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst Fusion-Bonden, beispielsweise Silizium-Fusion-Bonden, und tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE).
Fusion-Bonden ermöglich das Bonden einer Siliziumschicht mit einer anderen, um eine einzelne mechanische Struktur zu bilden. Es wurde nachgewiesen, dass das Fusion-Bond auf Molekularebene vorliegt und eine sehr hohe mechanische Robustheit liefert. Fusion-Bonding-Verfahren sind gut bekannt. Siehe zum Beispiel K. E. Petersen, D. Gee, F. Pourahmadi, R. Craddock, J. Brown und L. Christel, „Surface Micromachined Structures Fabricated with Silicon Fusion Bonding", Proceedings, Transducers 91, Juni 1992, Seiten 397–399.
Der Prozess zur Herstellung einer Silizium-Mikrostruktur gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auf 15A–15F erläutert. Die vorliegende Ausführungsform verwendet drei Siliziumscheiben. Unter Verwendung von drei Siliziumscheiben führt der Prozess zur Bildung einer vorgeschriebenen Mikrostruktur einer Einkristallsiliziumstruktur (SCS) als integraler Teil der zweiten Scheibe, die der zweiten Schicht 14 entspricht. Die erste und zweite Scheibe, die der ersten und zweiten Schicht 12, 16 entsprechen, dienen als Träger für die zweite Scheibe. Alternativ können die Träger zum Beispiel aus Glas (Pyrex) gebildet werden. Es versteht sich natürlich, dass, auch wenn sich die folgende Erläuterung nur auf drei Scheiben bezieht, die Grundsätze auf die Ausbildung einer Mikrostruktur übertragen werden können, die einen Stapel von zwei oder mehr Scheiben umfasst.
In 15A ist die erste Scheibe mit einem Fotolack strukturiert, um einen ausgesparten Bereich/ausgesparte Bereiche, die darin auszubilden sind, festzulegen, und der ausgesparte Bereich/die ausgesparten Bereiche werden unter Verwendung von Standardhalbleiterverfahren, beispielsweise Plasmaätzen, Nassätzen mit KOH oder anderen Siliziumätzmitteln oder Differentialoxidwachstum, gebildet. Der ausgesparte Bereich/die ausgesparten Bereiche können eine beliebige Geometrie haben und können jede erforderliche Tiefe, zum Beispiel von weniger als 0,1 μm bis mehr als 100 μm, aufweisen In der vorliegenden Ausführungsform weist der ausgesparte Bereich eine Tiefe von in etwa 1 μm auf.
Es versteht sich, dass der ausgesparte Bereich nicht eine einzige gleichmäßige Tiefe haben muss. Zum Beispiel können mehrere Standardsiliziumätzschritte verwendet werden, um mehrere unterschiedliche Tiefen zu erzeugen, die für verschiedene mechanische Funktionen verwendet werden können. Es versteht sich auch, dass alternativ oder zusätzlich eine zweite Schicht (nicht dargestellt) von der ersten und dritten Schicht 12, 16 eingebuchtet sein kann, um wie vorstehend beschrieben einen Freiraum dazwischen vorzusehen. Zudem kann jede der ersten und dritten Scheibenflächen entweder bloßes Silizium sein oder kann mit einer Oxidschicht beschichtet sein. Ferner kann die Grundfläche des ausgesparten Bereichs entweder bloßes Silizium, oxidiertes Silizium, dotiertes Silizium sein oder sie kann mit einer anderen Dünnschicht beschichtet sein, die anschließenden Scheiben-Bonding- und Verarbeitungstemperaturen standhalten kann.
Wie in 15B gezeigt, wird die Einlassöffnung dann durch die erste Scheibe geätzt. Auch wenn dies nicht gezeigt wird, kann die Auslassöffnung gleichzeitig durch die erste Scheibe geätzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Auslassöffnung durch die dritte Scheibe geätzt werden.
In 15C ist die strukturierte Oberfläche der ersten Scheibe mit einer zweiten Scheibe, bevorzugt dotiert, mittels eines Silizium-Fusion-Bonden-Prozesses (oder Direktbondingprozesses) gebondet. Fusion-Bonden-Verfahren sind gut bekannt. Siehe zum Beispiel K. E. Petersen, D. Gee, F. Pourahmadi, R. Craddock, J. Brown und L. Christel, „Surface Micromachined Structures Fabricated with Silicon Fusion Bonding", Proceedings, Transducers 91, Juni 1991, Seiten 397–399. Bei einem derzeit bevorzugten Verfahren des Fusion-Bondens werden die erste und zweite Scheibe hydrophil gemacht. D. h. sie werden mit einem Mittel, beispielsweise heißer Salpetersäure oder einer heißen Schwefelsäuren- und Wasserstoffperoxidlösung oder einem anderen starken Oxidans, behandelt, das Wasser an ihnen anhaften lässt. Nach dem Trocknen werden die beiden Scheiben dann etwa eine Stunde lang in eine oxidierende Atmosphäre bei 400°C–1.200°C gesetzt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren des Silizium-Fusion-Bondens verbindet die erste und zweite Scheibe ohne Verwendung eines dazwischen befindlichen Klebermaterials, das einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Einkristall-Siliziumscheiben haben könnte, miteinander. Weiterhin kann Fusion-Bonden durchgeführt werden, bei dem Oxid- oder Nitridschichten in den miteinander verbundenen Oberflächen einer oder beider der Scheiben ausgebildet wurden.
Als Alternative zum Fusion-Bonden können die erste und zweite Scheibe zum Beispiel mit einem Klebstoff wie Fotolack aneinander zum Haften gebracht werden. Als weitere Alternative können die erste und zweite Scheibe mit einer Metallschicht, beispielsweise Gold, die zum Legieren der Scheiben aneinander verwendet wird, beschichtete Hauptflächen aufweisen. Falls an Stelle der ersten Siliziumscheiben ein Glasträger verwendet wird, kann die zweite Scheibe an einem solchen Glasträger anodisch gebondet werden.
Falls erforderlich kann die zweite Scheibe dünner und auf die von der jeweiligen Anwendung geforderte Dicke poliert sein. Alternativ kann elektrochemisches Ätzen (ECE, kurz vom engl. Electrochemical Etching) zum Verdünnen der Scheibe verwendet werden. Durch Diffusion können diffundierte Heizelemente in eine Ebenenfläche der zweiten Schicht 14 integriert werden. Zudem können alle erforderlichen Schaltungen oder andere Dünnschichtabscheidungen und Strukturierung unter Verwendung von standardmäßigen Verarbeitungsverfahren durchgeführt werden.
Dann wird die zweite Scheibe für einen Schritt des tiefen reaktiven Ionenätzens (DRIE, kurz vom englischen Deep Reactive Ion Etching) strukturiert, der die zu ätzenden Bereiche der Scheibe festlegt. DRIE-Verfahren haben an Bekanntheit gewonnen. Siehe zum Beispiel: A. A. Ayon, C. C. Lin, R. A. Braff und M. A. Schmidt, „Etching Characteristics and Profile Control in a Time-Multiplexed ICP Etcher", Proceedings of Solid State Sensor and Actuator Workshop, Nilton Head Island, SC, Juni 1998, Seiten 41–44; V. A. Yunkin, D. Fischer und E. Voges „Highly Anisotropic Selective Reactive Ion Etching of Deep Trenches in Silicon," Microelectronic Engineering, Band 23, 1994, Seiten 373–376; C. Linder, T. Tschan, N. F. de Rooij; „Deep Dry Etching Techniques as a New IC Compatible Tool for Silicon Micromachining," Proceedings, Transducers '91, Juni 1991, Seiten 524–527; C. D: Fung und J. R. Linkowski, „Deep Etching of Silicon Using Plasma, „Proceedings of the Workshop an Micromachining and Micropackaging of Transducers, 7.–8. Nov. 1984, Seiten 159–164; und J. W. Bartha, J. Greeschner, M. Puech und P. Maquin, „Low Temperature Etching of Si in High Density Plasma Using SF₆/O₂, „Microelectronic Engineering, Band 27, 1995, Seiten 453–456. Geräte für reaktives Ionenätzen ermöglichen mittlerweile das Ätzen von Löchern oder Gräben, die sehr tief sind (> 100 Mikron), während hohe Seitenverhältnisse gewahrt werden (das Verhältnis zwischen der Tiefe des geätzten Bereichs und der Breite des geätzten Bereichs). Es hat sich gezeigt, dass diese Geräte Seitenverhältnisse von mindestens 30:1 bei Gräben mit einer Tiefe von bis zu 300 Mikron ermöglichen können.
DRIE umfasst im Wesentlichen eine Synergiewirkung zwischen chemischem Ätzen und Ionenbombarierung. Auftreffende aktivierte Ionen reagieren chemisch mit der Siliziumoberfläche. Der DRIE-Prozess ätzt in vorteilhafter Weise unabhängig von Siliziumkristallebenen oder der Kristallausrichtung in der vertikalen Richtung bei einer viel höheren Rate als in der seitlichen Richtung (d. h. anisotrop). Dadurch können in der zweiten Scheibe aus Einkristallsilizium (SCS) verhältnismäßig tiefe, im Wesentlichen vertikale Gräben oder Schlitze ausgebildet werden. Diese im Wesentlichen vertikalen Gräben oder Schlitze können unabhängig von der kristallographischen Ausrichtung in der Scheibe überall in der zweiten Scheibe ausgebildet werden. Folglich können Strukturen mit hohen Seitenverhältnissen, wie kapazitve oder elektrostatische Platten, ausgebildet werden und es können willkürlich kontourierte Strukturen wie Kreise, Ellipsen und Spiralen gebildet werden.
Wie in 15D gezeigt wird ein DRIE-Prozess zum vollständigen Durchätzen durch die zweite Scheibe verwendet, um das verschiebbare Element und den Aktor/die Aktoren auszubilden. Der Schritt des DRIE-Ätzens setzt die Mikrostrukturen aus Einkristallsilizium (SCS), die in der zweiten Scheibe gebildet sind, mechanisch frei, die sich dann im Verhältnis zur und in der Ebene der zweiten Scheibe frei bewegen können. Abgehängte Platten/Balken-Strukturen mit Seitenverhältnissen (Höhe/Breite) von 20:1 oder mehr wurden mit den nachstehend beschriebenen DRIE-Prozessen hergestellt.
Eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle ätzt das Silizium unter Verwendung von Fotolack oder Siliziumdioxid als Maske. Eine Polymerisierung eines Quellengases an den Seitenwänden der geätzten Gräben verlangsamt die seitliche Ätzrate und lässt hohe Anisotropie zu. Die Ätzchemikalie ist SF₆ bei zum Beispiel 50 Millitorr. Sauerstoffadditivgas und fluoriertes Gas, die von Surface Technology Systems erhältlich sind, tragen dazu bei, hohe Ätzverhältnisse von Si/Fotolack vorzusehen. Ein Fotolack mit sechs Mikron dient als Strukturierungsmaske. Die Fotolack-Selektivität beträgt in etwa 50:1, was das Ätzen auf Tiefen von 300 μm mit etwa 6 μm Lack ermöglicht. Das „Multiplex RIE-System", das von Surface Technology Systems (STS) mit Geschäftssitz in Redwood City, Kalifornien, erhältlich ist, kann zum Durchführen eines induktiv gekoppelten Plasma-DRIE genutzt werden, oder von Plasma Therm in St. Petersburg, Florida.
Die Kombination aus Fusion-Bonden und DRIE ermöglicht die Konstruktion von dreidimensionalen Strukturen, beispielsweise des erfindungsgemäßen Mikroventils. Siehe zum Beispiel E. H. Klaassen, K. Petersen, J. M. Noworolski, J. Logan, N. I. Maluf, J. Brown, C. Storment, W. McCulley und G. T. A. Kovacs, „Silicon Fusion Bonding and Deep Reactive Ion Etching: A New Technology for Microstructures", Proceedings, Transducers 95, Stockholm, Schweden, 1995, Seiten 556–559.
In 15E ist die strukturierte Oberfläche der dritten Scheibe mit der zweiten Scheibe durch den Prozess des Silizium-Fusion-Bondens (oder direktes Bonden) verbunden, wie vorstehend unter Bezug auf 15C beschrieben wurde. Auch wenn dies nicht gezeigt wird, versteht sich, dass vor dem Bonden die dritte Scheibe ähnlich wie die erste Scheibe bearbeitet wurde, um einen ausgesparten Bereich/ausgesparte Bereiche, eine Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung sowie ein Kontaktloch/Kontaktlöcher durch die Scheibe oder Durchkontaktierung(en) auszubilden.
Wie in 15F gezeigt, wird eine Schicht elektrisch leitenden Materials, beispielsweise Aluminium, zum Beispiel durch Sputtern auf die Oberflächen des Kontaktlochs/der Kontaktlöcher oder Durchkontaktierung(en), wobei die Oberfläche der zweiten Scheibe durch das Kontaktloch freigelegt ist, und mindestens einen Teil der ebenen Außenfläche der dritten Scheibe abgeschieden. Die leitende Schicht bildet so ein Bond Pad/Bond Pads, um einen elektrischen Kontakt zu dem Aktor/den Aktoren zu ermöglichen. Unter Verwendung standardmäßiger Siliziumverarbeitungsverfahren auf der dritten Scheibe können alle erforderlichen Schaltungen oder andere Dünnschichtabscheidungen und Strukturierung ausgeführt werden.
In diesen Prozess kann problemlos eine beliebige Anzahl an Abwandlungen integriert werden. Zum Beispiel können die erste und/oder dritte Schicht 12, 16 aus Glas (Pyrex) statt aus Silizium bestehen. Das Mikroventil kann aus mehr als drei Scheiben oder Schichten gebildet werden, und eine mikromechanische Vorrichtung kann aus zwei oder mehr Scheiben oder Schichten gebildet werden. Weiterhin können in der zweiten Schicht 14 flache Hohlräume anstelle oder zusätzlich zu der ersten und dritten Schicht 12, 16 ausgebildet werden. Alternativ kann jede der Schichten separat bearbeitet und dann durch einen ausgerichteten Bondschritt zusammengesetzt werden. Wie offensichtlich ist, kann ein Durchschnittsfachmann diese und zahlreiche andere Abwandlungen des Herstellungsprozesses durch zum Beispiel lediglich Abwandeln der Anordnung mühelos vornehmen.
Das erfindungsgemäße Mikroventil kann wie nachstehend beschrieben zur Verwendung in Antiblockierbremsanlagen, bei Tintenstrahldruck, Kühlung, Steuerung für größere Ventile, z. B. für Automatikgetriebe und große industrielle Ventile, angepasst werden.
Unter Bezug nun auf 16 kann das Mikroventil 82 auch angepasst werden, um zwei Einlassöffnungen 84, 86 für Fluidstrom in einen Auslass 22 selektiv zu steuern. Das öffnen und Schließen der Einlassöffnungen 84, 86 sind wechselseitig abhängig. Andere Einzelheiten des Mikroventils 82 lassen sich der vorstehenden Beschreibung unter Bezug auf andere Figuren entnehmen. Im Einzelnen kann bei Betätigung das Mikroventil 82 so gesteuert werden, dass es die Einlassöffnung 84 öffnet, während es die Einlassöffnung 86 geschlossen hält, oder umgekehrt. Das Mikroventil 82 kann auch so gesteuert werden, dass es teilweise beide Einlassöffnungen 84, 86 öffnet.
Somit kann das Mikroventil 82 genutzt werden, um Fluidstrom aus einer oder zwei Fluidquellen zu wählen.
Wie offensichtlich ist, können zahlreiche andere Fluidstromsteuerungsintegrationen mit dem erfindungsgemäßen Mikroventil erreicht werden. Zum Beispiel kann ein einzelnes integriertes Mikroventil 87 der vorliegenden Erfindung genutzt werden, um ein normalerweise offenes (N. O.) und ein normalerweise geschlossenes (N. C.) Magnetventil zu ersetzen, das für jedes Rad einer herkömmlichen Antiblockierbremsanlage verwendet wird. Ein Schemabild eines Teils einer Antiblockierbremsanlage 100, die das einzelne integrierte Mikroventil nutzt, und ein Teilschemabild eines solchen einzelnen integrierten Mikroventils 87 werden in 18 bzw. 19 gezeigt.
Antiblockierbremsanlagen (ABS) sind mittlerweile in Personenfahrzeugen recht verbreitet. Wie in 17 gezeigt umfasst die Antiblockierbremsanlage 100 im Allgemeinen einen Raddrehzahlsensor (nicht dargestellt) zum Erfassen der Drehzahl eines Rads 102, ein normalerweise offenes (N. O.) Ventil 86 und ein normalerweise geschlossenes (N. C.) Ventil 84 zum Steuern des Strömens von Bremsfluid zu und von dem Bremssattel 104 des Rads 102, ein elektronisches Steuergerät (ECU) 106, das Eingabe von dem Raddrehzahlsensor empfängt und Signale zum Mikroventil 87 ausgibt, einen Hauptzylinder 22 zum Leiten von Bremsfluid zu dem Bremssattel und zwei verschiebbare Elemente 88, 90 zum selektiven Öffnen und Schließen von zwei Einlassöffnungen 84 bzw. 86.
Der normalerweise offene Einlass 86 lässt Bremsfluid vom Hauptzylinder 108 zum Bremssattel 104 strömen, wenn der Fahrer Druck auf das Bremspedal 112 ausübt. Ohne Betätigung der ABS-Anlage ist der normalerweise geschlossene Einlass 88 gegenüber einem Strömen von Bremsfluid zumindest teilweise geschlossen, und der normalerweise offene Einlass 86 lässt bei Ausüben von Druck auf das Bremspedal 112 seitens des Fahrers das Strömen von Bremsfluid zum Bremssattel 104 zu.
Ein rutschiger Straßenbelag kann aber zu einer ungenügenden Reib- oder Greifkraft zwischen dem Reifen und der Straße führen, so dass bei Ausüben von Druck auf das Bremspedal 112 seitens des Fahrers der Bremssattel 104 das Rad 102 blockiert. Wenn der Bremssattel 104 das Rad 102 blockiert und ein Drehen des Rads 102 unterbindet, schleudert das Rad 102 die rutschige Straße entlang, so dass der Fahrzeugbremswerg vergrößert wird. Im Wesentlichen kommt es zu Blockieren der Räder durch die Bremsanlage, wenn die Greifkraft zwischen dem Reifen und der Straße geringer als die Brems- oder Greifkraft zwischen dem Rad und den Bremsbacken ist.
Die Antiblockierbremsanlage mildert oder löst das Problem des Radblockierens durch Regeln des ausgeübten Bremsfluiddrucks, bis der geeignete Wert an Bremskraft erreicht ist, d. h. durch Mindern der Bremskraft auf einen Wert gleich der Greifkraft zwischen dem Rad und der Straße. Die Antiblockierbremsanlage wird als Reaktion auf das Detektieren des Raddrehzahlsensors, dass die Räder zu einem Blockieren neigen, aktiviert. Bei Aktivieren der Antiblockierbremsanlage schließt der Computer das N. O.-Ventil. Wenn der Raddrehzahlsensor weiter erfasst, dass das Rad zu Blockieren neigt, selbst nach dem Schließen des N. O.-Ventils, öffnet der Computer das N. C.-Ventil und pumpt etwas Bremsfluid von dem Radzylinder oder Sattel in den Hauptzylinder. Das N. C.-Ventil wird wiederholt auf und zu gepulst, um Strömen des Bremsfluids zu regeln, bis der Computer ermittelt, dass das Bremsen unter Kontrolle ist, d. h. wenn der Raddrehzahlsensor detektiert, dass die Räder nicht länger zu Blockieren neigen. Durch wiederholtes Auf- und Zupulsieren des N. C.-Ventils wird eine Proportionalität der Fluidstromsteuerung erreicht. Die Antiblockierbremsanlage wird nur aktiviert, während das Bremspedal gedrückt wird.
Eine herkömmliche Antiblockierbremsanlage eines Kraftfahrzeugs oder Personenfahrzeugs nutzt zwei Magnetventile pro Rad, um das Strömen des Bremsfluids zu steuern, was zur Verwendung von acht Magnetventilen bei einem typischen Personenfahrzeug mit acht Rädern führt. Die Verwendung von Magnetventilen hat aber wie vorstehend erläutert mehrere Nachteile. Auch wenn proportionale Magnetventile verfügbar sind, führen kostengünstige Magnetventile, die für Antiblockierbremsanlagen verwendet werden, lediglich ein Ein- und Ausschalten (binär) aus, was erfordert, dass die Ventile gepulst werden, um den präzisen Sollbetrag an Strömsteuerung zu erhalten. Ein solches Pulsieren kann von dem Fahrer wahrgenommen werden, während er das Bremspedal tritt, was unerwünscht sein kann.
Das in 18 gezeigte Mikroventil 87 kann als Ersatz für die beiden Magnetventile der herkömmlichen Antiblockierbremsanlage verwendet werden. Jedes der verschiebbaren Elemente 88, 90 wird von seinem jeweiligen Wärmeaktor separat gesteuert. Bei der Antiblockierbremsanlage würden sich aber die verschiebbaren Elemente 88, 90 nicht beide gleichzeitig in der offenen Stellung befinden. Während eines normalen Bremsvorgangs würde sich somit das verschiebbare Element 90 (in der zum Einlass 86 normalerweise offenen Stellung) in der offenen Stellung befinden, während das verschiebbare Element 88 (in der zum Einlass 84 normalerweise geschlossenen Stellung) sich in der geschlossenen Stellung befinden würde. Wenn der Fahrer das Bremspedal 112 während eines normalen Bremsvorgangs tritt, pumpt somit die Pumpe 110 Bremsfluid aus dem Hauptzylinder 108 durch den normalerweise offenen Einlass zum Bremssattel 104.
Wenn das ECU 106 erfasst, dass das Rad 102 vorbestimmte Grenzwerte überschritten hat, sendet das ECU 106 ein Signal zu dem Mikroventil 87, um das verschiebbare Element 90 im Verhältnis zum Einlass 86 zu der geschlossenen Stellung zu verschieben und das verschiebbare Element 88 von seiner geschlossenen Stellung im Verhältnis zum Einlass 84 zu einer Stellung zwischen der offenen und geschlossenen Stellung zu verschieben. Das Verschieben des verschiebbaren Elements 88 zu einer Stellung zwischen der offenen und geschlossenen Stellung im Verhältnis zum Einlass 84 erlaubt ein Entfernen einer Sollmenge an Bremsfluid durch die Pumpe 110 von dem Bremssattel 104 in den Hauptzylinder 108. Somit wird nur ein integriertes Mikroventil genutzt, um die beiden herkömmlichen binären Magnetventile zu ersetzen.
Das verschiebbare Element 88 würde bevorzugt nicht zwischen der offenen und geschlossenen Stellung gepulst werden und wird bevorzugt zu einer Stelle zwischen der offenen und geschlossenen Stellung verschoben, um die Sollmenge an Bremsfluid, die von dem Bremssattel 104 zu pumpen ist, präzis zu steuern. Es versteht sich aber, dass das verschiebbare Element 88 im Verhältnis zum Einlass 84 zwischen der offenen und geschlossenen Stellung gepulst werden kann, um die proportionale Fluidstromsteuerung zu erhalten.

Claims

Mikroventil (10, 10', 78), welches umfasst: – eine erste Schicht (12), eine zweite Schicht (14) und eine dritte Schicht (16), wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht angeordnet ist, die erste Schicht eine erste Öffnung (20, 20a, 79) durch diese ausbildet und mindestens eine der ersten Schicht und der dritten Schicht eine zweite Öffnung (22, 72) durch diese ausbildet, um Fluidströmen von der ersten Öffnung zu der zweiten Öffnung durch einen in der zweiten Schicht ausgebildeten Strömbereich zuzulassen; – ein verschiebbares Element (26, 26a, 116), das durch die zweite Schicht (14) ausgebildet ist und einen ersten Endteil (40) und einen zweiten Endteil (42) aufweist, wobei das verschiebbare Element verschiebbar ist, um das zweite Endteil gezielt und proportional an einer Stelle zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung im Verhältnis zu entweder der ersten Öffnung (20) oder der zweiten Öffnung (22) anzuordnen; – mindestens einen Aktor (28, 30, 118, 120, 126, 128), welcher durch die zweite Schicht (14) ausgebildet ist und im Verhältnis zu dem ersten Endteil (40) des verschiebbaren Elements (26, 26a, 116) so angeordnet ist, dass er das verschiebbare Element zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung in einer zur zweiten Schicht parallelen Ebene verschiebt, wobei der Aktor eine Welle (44, 46), die sich im Allgemeinen im Verhältnis zu dem verschiebbaren Element senkrecht erstreckt, und mindestens zwei Wärmeelemente (48, 50), welche sich von der Welle in einem Winkel zu dieser erstrecken, umfasst, wobei die Wärmeelemente dafür ausgelegt sind, den Schaft bei Wärmeausdehnung der Wärmeelemente gegen das erste Endteil des verschiebbaren Elements zu treiben; – ein Paar von elektrischen Kontakten (32a, 32b, 34a, 34b), welche in mindestens einer der ersten und der dritten Schicht (12, 16) zum Vorsehen elektrischen Kontakts zu den Wärmeelementen (48, 50) für deren elektrisches Erwärmen vorgesehen sind; und – eine elektrische Isolierungsstruktur, die Teile der zweiten Schicht (14) elektrisch so isoliert, dass das Fließen von elektrischem Strom zwischen den Kontakten (32, 34) außer durch den Aktor (28, 30, 118, 120, 126, 128) verhindert wird.
Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierungsstruktur eine auf den Wärmeelementen ausgebildete Oxid-Schicht umfasst.
Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierungsstruktur in der zweiten Schichte (14) ausgebildete Gräben (36) umfasst.
Mikroventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (36) mit dielektrischem Material gefüllt sind.
Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ersten, zweiten und dritten Schicht (12, 14, 16) Silizium umfasst und eine Oberfläche der mindestens einen Schicht oxidiert ist, wobei die oxidierte Oberfläche mindestens einen Teil der Isolierungsstruktur bildet.
Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und dritte Schicht (12, 16) Silizium mit einem niedrigen Dotierungsgrad umfassen und die zweite Schicht (14) Silizium mit einem hohen Dotierungsgrad umfasst.
Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verschiebbare Element (26a) entweder P-förmig oder h-förmig ist.
Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verschiebbare Element (26) in der Querschnittsfläche von dem ersten Endteil zu dem zweiten Endteil größer wird.
Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verschiebbare Element (26) in der Breite von dem ersten Endteil zu dem zweiten Endteil größer wird.
Mikroventil nach einem der Ansprüche 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (12) eine der Form des zweiten Endteils (42) des verschiebbaren Elements (26) ähnliche Form hat.
Mikroventil nach Anspruch 1, welches weiterhin einen Sensor zum Erzeugen eines die Stellung des verschiebbaren Elements anzeigenden Signals umfasst.
Mikroventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Piezo-Widerstand ist.