專利名稱：微型機(jī)電系統(tǒng)的控制閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種閥裝置，尤其是應(yīng)用于例如MEMS-結(jié)構(gòu)(微型機(jī)電系統(tǒng))中的微型控制閥。
申請(qǐng)領(lǐng)域控制閥主要應(yīng)用于氣動(dòng)系統(tǒng)，如氣動(dòng)制造系統(tǒng)中，用來控制大型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的壓力。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用于工藝處理設(shè)備中，例如應(yīng)用于移動(dòng)大型機(jī)械設(shè)備或?qū)Υ笮烷y進(jìn)行控制的生產(chǎn)過程中。
該控制閥經(jīng)常被用作為IP調(diào)節(jié)器，其具有一個(gè)電(I為電流)輸入和一個(gè)氣動(dòng)(P為壓力)輸出，這樣，當(dāng)一個(gè)供給裝置，如具有較高恒定壓力的壓縮機(jī)提供氣體輸入的時(shí)候，一個(gè)模擬的電信號(hào)就會(huì)在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)比例的氣動(dòng)壓力。
現(xiàn)有技術(shù)目前大量使用的工業(yè)用IP調(diào)節(jié)器為ABB生產(chǎn)的TEIP 11型信號(hào)轉(zhuǎn)換器[1]，用來將標(biāo)準(zhǔn)的電輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)壓力輸出，如將4-20mA的電流轉(zhuǎn)換為0.2-1bar的氣壓輸出信號(hào)。
盡管安裝大型氣動(dòng)壓縮機(jī)的工廠幾乎都配置有過濾裝置用來在使用壓縮空氣時(shí)保護(hù)設(shè)備，并且設(shè)備本身也會(huì)安裝過濾裝置，眾所周知，由于暴露在加壓空氣中的表面上的薄膜沉積會(huì)造成的狹窄空氣通道的堵塞，從而常常限制這些設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，這樣還會(huì)使可拆卸的部件永久地粘在其它部件上而變成廢件。上述沉積在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中積聚，最終會(huì)干擾設(shè)備正常的功能或者損壞部件而需要更換這些組件。這種影響限制了使用該設(shè)備的系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命且增加了維修費(fèi)用，由于這種情況下的IP調(diào)節(jié)器直接暴露在氣流中，它們的正常運(yùn)轉(zhuǎn)決定了系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)覺得有上述問題發(fā)生時(shí)，在大多數(shù)情況下都只是用新設(shè)備更換掉有故障的調(diào)節(jié)器。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的之一是提供一種閥，使其對(duì)在供給空氣中存在的雜質(zhì)具有增大的容許度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種控制閥，使其在可能被雜質(zhì)或液滴污染的加壓空氣氣流環(huán)境下具有更長(zhǎng)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。
更進(jìn)一步，本發(fā)明的另一個(gè)特殊目的是提供一種微型控制閥，使得雜質(zhì)，特別是以油和微?；旌衔镄问酱嬖诘碾s質(zhì)可以順利地通過閥體，使其不會(huì)附著在閥體表面上，并在閥體內(nèi)部形成具有危害性的黏附膜。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的可以通過具有如權(quán)利要求1所述的特征的閥來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的更多優(yōu)選實(shí)施例可以根據(jù)從屬權(quán)利要求，相應(yīng)的描述和附圖獲得。


圖1A顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一種IP調(diào)節(jié)器的臨界流出口情況。
圖1B顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的第二種IP調(diào)節(jié)器的臨界流出口情況。
圖2顯示了在閥出口附近形成膜或?qū)铀婕暗囊恍┛赡艿臋C(jī)構(gòu)。
圖3A顯示了圖1B所示閥內(nèi)的微粒傳送的計(jì)算機(jī)模擬的流體動(dòng)力學(xué)模型。
圖3B顯示了圖1A所示閥內(nèi)的微粒傳送的計(jì)算機(jī)模擬的流體動(dòng)力學(xué)模型。
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明具有可彎曲膜片的基于MEMS的IP調(diào)節(jié)器的例子中的一個(gè)工作部件。
圖5顯示了在根據(jù)圖4所示的閥的調(diào)節(jié)器內(nèi)微粒流體的計(jì)算機(jī)模擬的流體動(dòng)力學(xué)模型。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的基于MEMS的IP調(diào)節(jié)器的另一個(gè)實(shí)施例。
圖7圖示出在流體入口和流體出口之間具有90度彎角。
圖8顯示了在90度彎角結(jié)構(gòu)中，為了較好地阻止沉積的形成所用的結(jié)構(gòu)規(guī)則或者設(shè)計(jì)規(guī)則。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖1-3對(duì)典型的現(xiàn)有技術(shù)中的局限性作出更具體的解釋。附圖1A顯示了包含水/油/微粒等雜質(zhì)的空氣流體F流過典型IP調(diào)節(jié)器的出口部位的情況。受沖擊的第一節(jié)流口或噴嘴D1被固定，在這種情況下，其橫向尺寸為0.25mm。即使該噴嘴相對(duì)很窄，通常也不會(huì)造成受污染的供給空氣在IP-閥中的重要部件上形成沉積的問題。第二節(jié)流口D2位于出口處，如圖所示，在擋板100和閥體101之間具有寬度X可變化的一個(gè)間隙。間隙寬度X由于作用在擋板臂103上的作用力102而發(fā)生變化，該作用力使得擋板臂103圍繞其旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)104轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小的角度。X值通常非常小，在10-40μm的范圍內(nèi)。當(dāng)寬度X變化時(shí)，氣流發(fā)生變化，從而使壓力Pst也發(fā)生相應(yīng)的變化。該壓力可以輸送至下述的“增壓器”或空氣放大器(未示出)?？諝夥糯笃麟S后輸送具有一定壓力和速率的氣流用以控制大型的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。
附圖1B顯示了空氣和微粒流體以直角通過可變寬度為X的間隙離開出口進(jìn)入大氣前，在橫向尺寸為D2的圓形閥體101內(nèi)流過的情況。
附圖2顯示了在擋板100和出口2附近的重要區(qū)域110上形成膜或?qū)拥膹?fù)雜過程中可能涉及到的一些機(jī)械裝置。在此類閥中常見的故障表現(xiàn)為在閥座106和/或擋板100上的層105的沉積，當(dāng)它們彼此接觸或者離得非常近時(shí)，就會(huì)使擋板100粘在閥座106上。通常，調(diào)節(jié)作用力102和所述壓力都沒有大到可以使擋板100離開閥座106的程度。粘性的擋板100會(huì)造成整個(gè)IP調(diào)節(jié)器的失效，從而導(dǎo)致整個(gè)IP調(diào)節(jié)器的更換。僅僅由于上述故障，使得該存在故障的IP調(diào)節(jié)器通常被報(bào)廢。
值得注意的是，多年生產(chǎn)和使用這類IP調(diào)節(jié)器的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)顯示出，噴嘴D1并不會(huì)導(dǎo)致上述問題的發(fā)生，而擋板部件100，103則是導(dǎo)致這類問題發(fā)生的重要原因。
以上所述與在我們的實(shí)驗(yàn)室中建立的計(jì)算機(jī)模擬的流體動(dòng)力學(xué)模型相一致。如附圖3所示，該模型已經(jīng)顯示出氣流中的絕大部分微粒與擋板100的重要區(qū)域110發(fā)生撞擊，而只有極少數(shù)微粒與D1-噴嘴的狹窄通道發(fā)生撞擊。
附圖3A顯示出計(jì)算機(jī)模擬的流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型的結(jié)果，圖示出微粒流體如何隨氣流由左向右流動(dòng)并垂直穿過位于閥體101和擋板100之間的狹縫G流向外部的情況。該圖對(duì)應(yīng)于附圖1B的閥。
附圖3B圖示出微粒如何隨流體穿過附圖1A中的閥的情況。微粒順暢地通過橫向尺寸為D1的噴嘴。模型中的微粒大小在1.8-20μm之間，模型被建立起來使得微粒撞擊壁部并停止在撞擊點(diǎn)不再隨氣流流動(dòng)?？梢钥吹綆缀鯖]有微粒可以穿過擋板間隙G，而幾乎所有的微粒都穿過了噴嘴D1而沒有撞到其壁上。在噴嘴D1中，一些微粒在進(jìn)入噴嘴通道D1前撞到豎壁21上，然而，這并不是一個(gè)非常重要的區(qū)域。流體中所有的空氣都被假設(shè)由帶有至少一對(duì)(雙)空氣過濾器的壓縮機(jī)供給，模擬的IP調(diào)節(jié)器也在它的入口處安裝有良好的過濾器。
盡管閥上都安裝了過濾器以阻止微粒進(jìn)入閥體，但是這種過濾器允許小尺寸的特定微粒通過。將閥體的流體流動(dòng)通道設(shè)計(jì)成使得進(jìn)入閥中的特定微粒沿弧線流動(dòng)而不會(huì)撞到閥壁上的形狀是本發(fā)明的一個(gè)主要特征。這主要由流速，微粒的尺寸，流體與微粒的密度差以及該裝置的幾何形狀所決定。
附圖4為根據(jù)本發(fā)明的MEMS-閥，特別是用于IP調(diào)節(jié)器的控制閥的第一實(shí)施例的示意圖。該閥包括由流體通道2連接的流體進(jìn)口3和流體出口4，以上結(jié)構(gòu)由通過對(duì)玻璃和/或硅進(jìn)行微量切削加工而制造出的結(jié)構(gòu)件5和壁形成。該閥還包括可以設(shè)置在至少兩個(gè)不同位置的激勵(lì)器1、8、9以用來使流體通道2的流動(dòng)橫截面發(fā)生改變。流體進(jìn)口、出口和通道的幾何形狀有利于防止流體突然地改變其流動(dòng)方向使得流體內(nèi)液滴和/或微粒中的大部分撞擊在閥壁上，而這種情況在流體出口和流體通道平行于流體入口而形成的充分單向流動(dòng)方式中是非常普遍的。
流體通道2連接流體入口3和流體出口4。本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例為比較理想的解決方案，其使氣流具有大半徑的曲率。通過使用靜電式激勵(lì)器、熱激勵(lì)器或者壓電式激勵(lì)器彎曲非剛性膜片1，改變流體通道的內(nèi)橫截面Y而使流體通道2形成節(jié)流部。如圖4所示，在對(duì)著流體通道1的底板5C的表面上設(shè)有激勵(lì)器的電極9，激勵(lì)器的另一個(gè)電極8位于膜片1的底部。激勵(lì)器產(chǎn)生的作用力由與激勵(lì)器1、8、9相電耦合的控制裝置(未示出)給出。
本發(fā)明的第一實(shí)施例可以通過一個(gè)所謂的三層MEMS工藝實(shí)現(xiàn)。中間板5B，優(yōu)選地由硅制成，其被密封在均優(yōu)選地由玻璃制成的頂板5A和底板5C中間。所述板可以通過使用電鍍結(jié)合的手段進(jìn)行密封。在三層板中，可以蝕刻出用來運(yùn)送供給空氣和輸出空氣的溝槽或通道以及輔助的通道。在面對(duì)流體通道2的底板5C的表面上設(shè)置有第一導(dǎo)電電極9，優(yōu)選采用金屬電極，可以通過在其頂部涂保護(hù)層來防止其受到流體的破壞。在對(duì)著通道2的膜片1的表面上設(shè)置有第二薄導(dǎo)電電極8，其由一金屬層或非剛性膜片1的高度攙雜部位構(gòu)成，電極8也優(yōu)選地由一薄保護(hù)層進(jìn)行保護(hù)并且該保護(hù)層優(yōu)選地為氧化硅層。該硅制膜片1是中間板5B上整體形成的一部分，優(yōu)選地通過在單獨(dú)一片硅材料上蝕刻形成。典型的情況為，該膜片的寬度和長(zhǎng)度均為200μm的整數(shù)倍，而通道的橫截面Y也為20μm的整數(shù)倍，使得Y＜＜L。該金屬和可能的半導(dǎo)體電極8，9連接到充電裝置(未示出)上。如果電極8，9的充電極性相反，在電極8，9之間就會(huì)產(chǎn)生引力，將膜片1拉向底板5C。通過這樣的手段，就會(huì)使流體通道2的橫截面或者橫截面尺寸Y減小，從而減少通過設(shè)備的流量。
在附圖4所示構(gòu)件的前面，即圖示中的左側(cè)具有如圖1中所示的直徑為D1的噴嘴，該噴嘴作為如圖4所示的三層結(jié)構(gòu)中的一部分可以很容易地被制造出來。在D1噴嘴和可變橫截面的閥之間的控制壓力被導(dǎo)向增壓器裝置，該裝置可以放大或增壓該控制壓力和流體到適合大型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的程度。通過對(duì)激勵(lì)器電極8、9提供適當(dāng)?shù)碾妷?，從而使膜?產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膹澢梢詫?duì)該控制壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
第一實(shí)施例由于具有大的氣流曲率半徑的特征，因而使得只有極少的微粒會(huì)撞擊并附著在流體通道特別是流體通道內(nèi)的內(nèi)壁上。附圖5的計(jì)算機(jī)模擬的流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型證明了上述結(jié)論，該圖顯示出特定微粒在圖4，5所示的彎曲膜片下的流動(dòng)軌跡，它圖示出在底板5C的法線方向上，膜片1和底板5C之間的流體通道內(nèi)的微粒運(yùn)動(dòng)軌跡。矩形膜片1在其中部具有最大撓度，相應(yīng)地形成了流體通道2的最窄的部分。相應(yīng)地，流體的分布如圖5所示，并且只有極少的微粒在流體通道2的中部。從圖5可以看出，沒有微粒撞到流體通道2的壁上。因此，圖4所示的結(jié)構(gòu)對(duì)于解決結(jié)構(gòu)壁上的微粒雜質(zhì)來說是比較理想的。
在流體通道中將形成一個(gè)電場(chǎng)是上述靜電激勵(lì)器的一個(gè)潛在的缺點(diǎn)，如果這個(gè)電場(chǎng)只指向一個(gè)方向的話，即所有的電極都具有相同的極性，帶電或極化的微粒將被吸引到流體通道2的側(cè)壁上，形成不希望的沉積。高流速和其它一些因素也會(huì)造成流體中的微粒帶電。
電極之間的靜電力吸引是不受場(chǎng)方向限制的。因此，在電極8，9之間形成與場(chǎng)方向相反的周期性的交變電流/電壓可以驅(qū)動(dòng)電極8，9。優(yōu)選地，交變頻率要遠(yuǎn)大于膜片的基本共振頻率，對(duì)于本申請(qǐng)來說，該范圍為10-50kHz。我們要使用合適的交流發(fā)電機(jī)或者交流驅(qū)動(dòng)電路(未示出)來產(chǎn)生用來驅(qū)動(dòng)電極8，9的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該發(fā)電機(jī)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是非常熟悉的。
可以想到，這樣的高頻場(chǎng)可以在流體通道2內(nèi)產(chǎn)生自清潔的作用，表面的沉積會(huì)被高頻激勵(lì)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)剝落下來，并隨著流體被沖出該設(shè)備，而不會(huì)影響該設(shè)備的主要功能。
當(dāng)采用蝕刻的手段對(duì)硅制中間板5B進(jìn)行微加工時(shí)，在膜片的后面形成腔室14，該腔室需要一個(gè)合適的基準(zhǔn)壓力以用來調(diào)節(jié)膜片的撓度。在某些情況下，需要相當(dāng)大的驅(qū)動(dòng)力來獲得所需撓度，除非圖4中腔室14的壓力由根據(jù)腔室14和流體通道2中的壓力差進(jìn)行控制的方法來調(diào)節(jié)。典型的情況為電極電壓被限制在200V左右，高于該值時(shí)，會(huì)在電極8，9之間的介質(zhì)中發(fā)生絕緣擊穿的現(xiàn)象。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，提供了一種MEMS-閥，如圖6所示，為IP調(diào)節(jié)器中的控制閥。該閥包括流體進(jìn)口3，流體通道2，流體出口4。流體通道2連接流體進(jìn)口3和流體出口4。在本例中，流體出口4被設(shè)置為與流體進(jìn)口3基本垂直，而不是如第一實(shí)施例中描述的那樣。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，流體通道2具有一個(gè)可彎膜片1形式的激勵(lì)器，優(yōu)選地在硅上微加工制出。膜片1和與其相連接的閥凸臺(tái)15可以由靜電激勵(lì)器、熱激勵(lì)器或者壓電式激勵(lì)器來驅(qū)動(dòng)發(fā)生位移，從而改變流體通道的內(nèi)部橫截面或內(nèi)部橫截尺寸。通過彎曲膜片使流體通道的橫截面尺寸減小，從而提供了在流體進(jìn)口3和流體出口4之間的壓力降。驅(qū)動(dòng)力至少部分地由與激勵(lì)器電路連接的控制裝置來控制。
MEMS-閥的結(jié)構(gòu)和幾何設(shè)計(jì)針對(duì)供應(yīng)流體中的雜質(zhì)采用了高容許度，閥的橫向尺寸隨著流體中微?；蛞旱蔚拿芏龋叽缫约八俾识龃?，使得幾乎所有的雜質(zhì)或液滴都隨著轉(zhuǎn)角周圍的流體流動(dòng)，而不會(huì)撞擊到閥體的內(nèi)壁上。流體出口4的橫向尺寸的增加相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)是相當(dāng)大的改進(jìn)。讓流體出口4的橫向尺寸或橫截面尺寸大于由流體、流體入口3和微粒或液滴決定的限制閥的尺寸，根據(jù)模型可以發(fā)現(xiàn)，撞擊到內(nèi)壁上的雜質(zhì)或液滴的數(shù)量顯著減少。參考附圖7，限制閥的尺寸由下述公式給出Lcrit=V1·ρf·m3·π·μf·Δρ·d10]]>代表值為V1＝200m/sρf＝1.2kg/m3
Δρ＝2.5×10-3kg/m3μf＝18×10-6Ns/m2d＝20×10-6mV1表示進(jìn)口流體通道的出口端平均流速，ρf表示流體的密度，m表示微?；蛞旱蔚馁|(zhì)量，μf表示流體的粘度，Δρ表示微?；蛞旱闻c流體的密度差，d表示微?；蛞旱蔚闹睆健?br> 微粒的質(zhì)量由下式給出m=43·π·(d2)2·(ρf+Δρ).]]>附圖7為重要區(qū)域的示意圖，圖中標(biāo)出了幾何尺寸設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。L1表示流體通道2的橫向尺寸，L2表示流體出口4的橫向尺寸。在確定的假設(shè)條件、已知幾何尺寸和流體通道2的出口端的平均流速的情況下，流體出口4處的流速由下式給出V2(L2)=L1·L2·4L22·V1]]>下列等式可以被推導(dǎo)出用來表達(dá)微?；蛞旱蔚穆窂脚c流體出口4的橫向尺寸之間的關(guān)系f(L2)=V1·ρf·m3·π·μf·Δρ·L2[1-e3·π·μf·Δρ·(L1+L3)·L22·ρf·m·V1·L1]]]>其中，L3表示流體出口4的長(zhǎng)度。L1和L2的代表值為L(zhǎng)1＝20×10-6mL2＝500×10-6m當(dāng)f(L2)＞1時(shí)，微粒將撞擊到流體出口4的內(nèi)壁上。當(dāng)f(L2)＜1時(shí)，微粒將離開流體出口4而不撞到內(nèi)壁上。因此，可以得到一個(gè)極限值L2＞χpmax，只要
xpmax=V1·ρf·m3·π·μf·Δρ·d]]>微粒就不會(huì)撞到流體出口的內(nèi)壁上。
這一等式還可以被看作為了獲得對(duì)通道內(nèi)壁上的油/微粒的沉積的高抗性，而遵守的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
附圖8顯示了f(L2)與L2的函數(shù)關(guān)系。從圖8的圖表可以看出，為了使f(L2)小于1，在這種情況中，L2應(yīng)該設(shè)計(jì)為大于300μm。在實(shí)際中，L2是首先要估算的值，必須建立更精確的帶有微粒傳送模型的流體動(dòng)力學(xué)模型，以便找出更精確的L2的數(shù)值。
圖4和圖6的結(jié)構(gòu)可以看作是入口與出口成任意角度并且由可控制橫截面積的通道進(jìn)行連接的普通情況中的兩種極限情況。對(duì)于普通情況來說，設(shè)計(jì)原則更接近于圖6中所建立起來的結(jié)構(gòu)形式。
圖6中的結(jié)構(gòu)也優(yōu)選地在上述的三層MEMS-工藝中實(shí)現(xiàn)。氣流以壓力P1從圖6中的右側(cè)進(jìn)入裝置，在進(jìn)入到流體通道入口3之前通過噴嘴D1，噴嘴D1左側(cè)的腔室內(nèi)的壓力P0被引入到增壓器中。本例中的膜片在其中心處具有“閥凸起”15。閥凸起15和底板5C間的容積是流體通道2中可以調(diào)節(jié)的的活動(dòng)部分。激勵(lì)器的第一電極8優(yōu)選地位于膜片1的上部，即膜片上背對(duì)流體通道2的一側(cè)。該電極不直接暴露在氣流中。激勵(lì)器的第二電極9優(yōu)選地位于上部玻璃板5A的下側(cè)。以這種方式，兩個(gè)電極可以在膜片1與上玻璃板5A之間形成的腔室14內(nèi)建立起一個(gè)電場(chǎng)。
本結(jié)構(gòu)具有下述一些優(yōu)點(diǎn)，第一個(gè)就是，當(dāng)壓降只作用在閥凸起15上時(shí)，激勵(lì)器可以在整個(gè)膜片上進(jìn)行工作。這減小了對(duì)為了獲得給定壓力降的作用力的需要。
另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是，激勵(lì)器的電場(chǎng)不再延伸到流體通道2中，因此，該電場(chǎng)也就不再導(dǎo)致流體通道2內(nèi)沉積或膜的形成。另一方面，它也就不再具有上面提到過的自清潔作用。
為了減少膜片達(dá)到指定撓度所需要的最大電壓，如圖6所示，該裝置安裝有氣動(dòng)反饋裝置12、13、14。該反饋裝置包括連接流體通道2和位于膜片1一側(cè)的腔室14的連接器13，該反饋裝置12、13、14確保了高壓側(cè)MEMS-通道2、3、4中的一部分被反饋到腔室14中，以便于降低腔室14與通道2、3、4之間的壓差，并相應(yīng)地減少了激勵(lì)器的所需電壓。具有節(jié)流口kx1和kx2的通道以虛線示出。可以通過選擇kx1和kx2來確定節(jié)流口部分的壓降。通過對(duì)反饋壓力Px的取值使得膜片的彈力、激勵(lì)器的靜電力之間的平衡關(guān)系得到優(yōu)化。該反饋裝置也可以被用于圖4所示的實(shí)施例中。
為了進(jìn)一步減少微粒的沉積，可以在MEMS制作過程中通過合適的蝕刻工藝來對(duì)流體通道2內(nèi)的所有尖角，尤其是那些在閥凸起15下面位于流體通道2的入口處的尖角進(jìn)行倒圓角，從而避免了在轉(zhuǎn)角后的壁上發(fā)生大的流動(dòng)突變和相應(yīng)的沉積問題。
而為了減少微粒的沉積所作的另一個(gè)改進(jìn)是在設(shè)備中的所有通道的內(nèi)壁上涂一薄(納米技術(shù)的)層，從而獲得抗水和抗油表面。這使得含有微粒，液滴的水和油，甚至是凝結(jié)的蒸汽都被設(shè)備的內(nèi)壁所排斥。
該閥也可以包括熱或壓電式激勵(lì)器設(shè)備，將其與上述的靜電激勵(lì)器分開或組合使用，以使該設(shè)備獲得改進(jìn)的功能，例如，可以提供改進(jìn)的方法以控制裝有激勵(lì)器的膜片的彎曲。
參考[1]ABB product datasheet for TEIP 11，“I/P Signal Converter For StandardSignals”，10/99，from ABB Automation Products GmbH，Minden，F(xiàn)ed.Rep.ofGermany(http/www.abb.de/automation)[2]“Electrically-activated，normally closed diaphragm valves”，by HalJerman，in J，Micromech.Microeng.Vol.4，(1994)pp 210-216，IOP publishing，UK，199權(quán)利要求
1.一種閥，如IP調(diào)節(jié)器中的控制閥，具有如MEMS-結(jié)構(gòu)，包括由流體通道(2)連接的流體入口(3)和流體出口(4)，對(duì)玻璃和/或硅進(jìn)行微量切削加工生產(chǎn)出的壁部和結(jié)構(gòu)(5)構(gòu)成上述通道和出入口，該閥還包括可被設(shè)置在至少兩個(gè)不同位置處的激勵(lì)器(1，8，9)以改變流體通道(2)的流動(dòng)截面，其特征在于該流體入口，出口及通道的幾何結(jié)構(gòu)使得其可以防止流體突然地改變它們的方向，使流體中液滴和/或微粒等雜質(zhì)的絕大部分撞擊到結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁上，該結(jié)構(gòu)可以是滿足下列兩個(gè)極限情況或在它們之間的任何設(shè)置形式i)流體出口與流體入口垂直，流體出口的尺寸大于一個(gè)極限值，該極限值Lcrit由下式Lcrit=V1·ρf·m3·π·μf·Δρ·d]]>估算出，其中，V1表示進(jìn)口流體通道(3)的出口端平均流速，ρf表示流體的密度，m表示微?；蛞旱蔚馁|(zhì)量，μf表示流體的粘度，Δρ表示微?；蛞旱闻c流體的密度差，d表示微粒或液滴的直徑，并且m表示微粒的質(zhì)量或者是由CFD-工具(計(jì)算機(jī)模擬的流體動(dòng)力學(xué)模型)估算出的，ii)流體出口與流體通道和流體入口平行設(shè)置，呈完全單向流動(dòng)方式。
2.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于包括一個(gè)安裝在流體通道(2)內(nèi)的非剛性膜片(1)。
3.如權(quán)利要求2所述的閥，其特征在于包括一個(gè)靜電激勵(lì)器(1，8，9)，其第一電極(8)位于膜的面對(duì)流體通道的一側(cè)上，第二電極(9)位于流體通道(2)內(nèi)與膜(1)相對(duì)的位置上，通過改變激勵(lì)器(1，8，9)上的電壓可以改變流體通道橫截面。
4.如權(quán)利要求1-3中任意一個(gè)所述的閥，其特征在于包括一個(gè)靜電激勵(lì)器(1，8，9)，其第一電極(8)位于膜的背對(duì)流體通道的一側(cè)上，第二電極(9)位于面對(duì)第一電極的一個(gè)(通常地)平坦表面上，電極(8，9)之間形成腔室(14)，其內(nèi)部作用有激勵(lì)器(1，8，9)產(chǎn)生的電場(chǎng)，從而避免了在流體通道(2)內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，使流體中的微粒流動(dòng)朝向通道的內(nèi)壁。
5.如權(quán)利要求3或4所述的閥，其特征在于用于激勵(lì)器(1，8，9)的交流電壓需要在膜片(1)上產(chǎn)生合適頻率的振動(dòng)，該振動(dòng)使得附著在膜片(1)上的微?；虮铀蓜?dòng)，從而被氣流沖出設(shè)備。
6.如前面任意一個(gè)權(quán)利要求所述的閥，其特征在于包括用于減少膜片(1)兩側(cè)壓差的氣動(dòng)反饋裝置(12，13)。
7.如權(quán)利要求6所述的閥，其特征在于氣動(dòng)反饋裝置(12，13)包括位于流體通道(2)和膜片(1)一側(cè)的腔室(14)之間的流體連接器(13)。
8.如前面任意一個(gè)權(quán)利要求所述的閥，其特征在于在MEMS制作過程中通過合適的蝕刻工藝來對(duì)流體通道2內(nèi)的所有尖角，尤其是那些在閥凸起15下面位于流體通道2的入口處的尖角進(jìn)行倒圓角，從而避免了在轉(zhuǎn)角后的壁上發(fā)生大的流動(dòng)突變和相應(yīng)的沉積問題。
9.如前面任意一個(gè)權(quán)利要求所述的閥，其特征在于包括涂在設(shè)備中所有通道的內(nèi)壁上一個(gè)薄(納米技術(shù)的)層，從而獲得抗水和抗油表面來排斥含有微粒，液滴的水和油，甚至是凝結(jié)的蒸汽。
全文摘要
一種閥，如用于MEMS結(jié)構(gòu)中的IP調(diào)節(jié)器的控制閥，包括由流體通道連接的流體進(jìn)口(3)和流體出口(4)，對(duì)玻璃和/或硅進(jìn)行微量切削加工生產(chǎn)出的壁部和結(jié)構(gòu)(5)構(gòu)成上述通道和出入口。激勵(lì)器(1，8，9)可以被設(shè)置在至少兩個(gè)不同的位置上，用來使流體通道(2)的流動(dòng)橫截面發(fā)生改變。流體進(jìn)口，出口和通道的幾何形狀有利于防止流體突然地改變其流動(dòng)方向使得流體內(nèi)液滴和/或微粒中的大部分撞擊在結(jié)構(gòu)的壁上，上述結(jié)構(gòu)可以是符合或在下列兩個(gè)極限之間的任何設(shè)置方式i)流體出口與流體入口垂直，該出口的尺寸大于一個(gè)極限尺寸，L
文檔編號(hào)F16K31/02GK1675487SQ03818805
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2003年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月6日
發(fā)明者K·阿斯基爾德特, A·尼斯韋恩, O-M·米德特加德 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司