專利名稱：中間閥調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種閥，并且特別涉及靜電致動(dòng)閥。更特別是，本發(fā)明涉及用于調(diào)制的靜電致動(dòng)閥。
背景技術(shù)：
與本發(fā)明相關(guān)的專利申請是2002年6月19日提交的美國專利申請10/174851，該申請結(jié)合于此作為參考?？赡芘c本發(fā)明相關(guān)的專利包括美國專利6288472、美國專利6179586、美國專利6106245、美國專利5901939、美國專利5836750以及美國專利5822170。所有這些專利結(jié)合于此作為參考。本申請可能與大致同時(shí)提交的Bonne等人的題為“靜電致動(dòng)氣體閥”并且律師號為H0003388-765(1161.116701)的專利申請相關(guān)，以及與Cabuz等人的題為“介質(zhì)隔離靜電致動(dòng)閥”并且律師號為H00075707(1100.1283101)的專利申請相關(guān)，這些申請結(jié)合于此作為參考。
在出現(xiàn)拉入(即嵌入)效應(yīng)的情況下，通過電壓驅(qū)動(dòng)的靜電致動(dòng)器可只相對于總位移的三分之一進(jìn)行控制。用于這種控制的電壓范圍通常具有小的數(shù)值，使得閥控制非常困難。換言之，對于有限的位移來說，靜電致動(dòng)器可進(jìn)行電壓驅(qū)動(dòng)。但是，拉入效應(yīng)可在此位移之后出現(xiàn)。許多技術(shù)用來延緩或避免這種現(xiàn)象，使得許多靜電致動(dòng)器不適用于許多應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種裝置，該裝置可增加用于對流體的流量和/或壓力調(diào)制的靜電致動(dòng)的中間閥(mesovalve)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。它可具有控制靜電致動(dòng)器位移的空氣彈簧，使其對于調(diào)制器應(yīng)用來說是有效的。通過作為設(shè)計(jì)控制參數(shù)的緩沖容積的尺寸、閥座的直徑以及隔膜預(yù)應(yīng)力，該裝置可設(shè)計(jì)成滿足特定應(yīng)用需要。本發(fā)明的中間閥可以是通過中間泵技術(shù)制成的低成本、低功率的塑料閥。該裝置可使用小于一個(gè)微焦耳的功率，進(jìn)行一次致動(dòng)。當(dāng)前的結(jié)構(gòu)可提供延緩或避免拉入效應(yīng)的解決方法，由此使得該裝置適用于穩(wěn)定的應(yīng)用流動(dòng)和壓力控制和調(diào)制。


圖1和2表示用于流量調(diào)制的中間閥結(jié)構(gòu)；圖3和4表示用于壓力調(diào)制的中間閥結(jié)構(gòu)；以及圖5表示連接到中間閥結(jié)構(gòu)上的控制器。
具體實(shí)施例方式
在靜電調(diào)制器中，靜電力可抵抗保持致動(dòng)器的兩個(gè)電極分開的力進(jìn)行操作。這種力可以由彈力、氣動(dòng)力或類似力產(chǎn)生。通過施加驅(qū)動(dòng)電壓，致動(dòng)器的位置可控制在電極之間的初始距離的三分之一，并且接著出現(xiàn)拉入(嵌入)效應(yīng)。對于驅(qū)動(dòng)電壓某個(gè)范圍來說，可以實(shí)現(xiàn)這種控制，直到拉入閾值為止。這種閾值可以很小，因此對于控制驅(qū)動(dòng)電壓來說，不能提供良好的結(jié)果，并且使得控制困難。如果使得電極保持分開的力隨著電極位移而增加，拉入效應(yīng)可在位移的三分之一處出現(xiàn)，但是在較高的閾值下。對于靜電致動(dòng)器的控制來說，較高的電壓控制范圍可提供較高的分辨率。本發(fā)明可以是中間閥，對于非常高的控制電壓范圍來說，該閥避免了拉入效應(yīng)。本發(fā)明具有多種應(yīng)用，例如用于調(diào)制應(yīng)用的氣體閥的操縱閥。附圖不需要按照比例。
圖1和2表示可適用于流量調(diào)制控制的中間閥10的示例性實(shí)例。中間閥可以是微型結(jié)構(gòu)。頂部11和底部12可以是塑料模制件。該模制件還可通過其它類型的制造技術(shù)由其它材料制成。頂部11可具有施加在頂部的傾斜底部側(cè)上的鋁(Al)沉積物，以便形成電極13，其中介電材料14形成在電極13上。細(xì)節(jié)32和33表示頂部11上結(jié)合有層13和14的層配置。這些細(xì)節(jié)不需要按照比例繪制。在至少部分由電極13和介電材料14表面部分包圍的腔室15的頂部處可以是開口16，開口將腔室15和閉合緩沖容積17連接。容積17可通過連接到頂部11上的閉合件18包容。容積17可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。
頂部11和底部12可由任何半剛性或剛性材料制成，例如塑料、陶瓷、硅或類似材料。在一個(gè)示例性實(shí)例中，頂部11和底部12可通過模制高溫塑料來構(gòu)造，例如ULTEMTM(可從General ElectircCompany，Pittsfield，MA得到)、CELAZOLETM(可從Hoechst-CelaneseCorporation，Summit，NJ得到)、KETRONTM(可從PolymerCorporation，Reading，PA得到)或者其它適當(dāng)材料。在某些實(shí)例中，用于隔膜19的材料可以具有彈性、彈力、柔性或其它彈性體性能。在其它實(shí)例中，隔膜19由大致柔順的材料制成，該材料可以彈性變形，并且在變形力去除時(shí)還可以返回到其原始形狀或形式。在一個(gè)實(shí)例中，隔膜19可以由聚合物制成，例如KAPTONTM(可從E.I.du Pont deNemours&Co.，Wilmington，DE)、KALADEXTM(可從ICI Films，Wilmington，DE得到)、MYLARTM(可從E.I.du Pont de Nemours&Co.，Wilmington，DE得到)或者其它任何適當(dāng)材料。對于孔口和/或隔膜來說，使用聚合物基襯底的優(yōu)點(diǎn)在于所得閥可以更加廉價(jià)和更輕，和/或更加適用于小型手持用具，或者甚至一次性或重新使用的用具。
隔膜19的一個(gè)或多個(gè)電極22可通過對隔膜19上的導(dǎo)電涂層形成圖案來提供。例如，一個(gè)或多個(gè)電極可通過金屬印刷、鍍覆或EB沉積來形成。在某些情況下，電極層可使用干式薄膜抗蝕劑來形成圖案。相同或類似的技術(shù)可用來在頂部11的內(nèi)表面上提供電極13。不是提供分開的電極層，考慮到隔膜19和/或頂部11的內(nèi)表面可制成導(dǎo)電，以便根據(jù)需要作為電極操作。例如低溫有機(jī)和無機(jī)介電材料的介電材料可用作致動(dòng)電極13和22之間的絕緣體。介電材料可作為層23涂覆在隔膜19上的電極22上，并且作為層14涂覆在頂部11的內(nèi)表面上的電極13上。
隔膜19的外周邊通過頂部11和底部12的連接區(qū)域21固定。隔膜19可橫跨頂部11和底部12的寬度。隔膜19可在隔膜的頂部側(cè)上具有作為電極22操作的鋁沉積物。介電材料23的沉積物可施加在電極22上。細(xì)節(jié)31表示相對于隔膜19的層配置。該細(xì)節(jié)不需要按照比例繪制?？拷y腔室15的邊緣，在隔膜19內(nèi)具有開口24。隔膜19的下側(cè)和孔口26頂部處的閥座25可形成常閉的閥。由于閥通過連接到電極13和22上的電位激勵(lì)，在圖1中閥閉合。在不激勵(lì)時(shí)，隔膜19可向下推靠閥座25，并且從孔口27到孔口26的路徑閉合。中央閥座25可略微高于隔膜19的夾緊邊緣。由于預(yù)產(chǎn)生的應(yīng)力，隔膜19可密封閥座25。由于隔膜的恢復(fù)力，閥還可認(rèn)為是常閉閥。另外，隔膜可通過電極的靜電排斥力在閥座上向下推動(dòng)。同樣，可以具有例如彈簧的張力機(jī)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)指示，該機(jī)構(gòu)連接到隔膜上以便在隔膜上施加向下力或向上力。
通過將電壓施加到頂部11的電極13和隔膜19的電極22上，隔膜可向上運(yùn)動(dòng)，并且孔口27和孔口26之間的連接可至少部分開啟，如圖2所示，使得孔口之間進(jìn)行流體連通。這種運(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是通過靜電吸引或力來造成的。流體可以是氣體或液體。隔膜可認(rèn)為是具有閉合位置和開啟位置，或者多種開啟和閉合位置。
細(xì)節(jié)34表示層配置，其中隔膜19的一部分向上貼靠頂部11。細(xì)節(jié)34不需要按照比例繪制。當(dāng)隔膜向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，開口24可與頂部11的腔室15壁接觸。開口24在與腔室15的內(nèi)表面上的電極上的介電層14接觸時(shí)變得閉合，由此從隔膜19以下的任何容積或孔口密封腔室17。開口24在其邊緣處的接觸通過圖2的細(xì)節(jié)42表示。該細(xì)節(jié)不需要按照比例繪制。在施加在電極13和22上的電壓增加時(shí)，隔膜可向上運(yùn)動(dòng)一定距離，但是由于隔膜19以上的閉合容積15和17內(nèi)形成的空氣或氣體壓力而停止。對于某種最大電壓來說，在停止之前，緩沖容積17的數(shù)值可確定隔膜位移。緩沖容積17的數(shù)值可進(jìn)行變化，以便調(diào)節(jié)隔膜19的位移。容積的壓力應(yīng)該在出現(xiàn)拉入效應(yīng)之前停止隔膜，并且隔膜的所得位移變得平穩(wěn)和穩(wěn)定。在隔膜頂部內(nèi)，容積15和17內(nèi)的流體(例如氣體或空氣)可用作可得到的“空氣彈簧”。由隔膜19和閥座25之間的可變限制裝置造成的氣動(dòng)阻力的變化可以是平穩(wěn)和穩(wěn)定的。對于孔口27和26處某種流入和流出壓力P1和P2(其中P1＞P2)來說，通過增加的容積28，可以很好地控制從孔口27到孔口26的流量29的調(diào)制。最大流量29可以通過閥座25的尺寸(例如直徑)來調(diào)節(jié)。
流量傳感器39可以位于孔口27內(nèi)并且連接到控制器40上?？刂破鬟€可連接到電極13和22上。控制器40可根據(jù)來自傳感器39的輸入通過到達(dá)電極的電壓以預(yù)定速度調(diào)制流量29。圖5表示連接到中間閥配置10上的控制器41。
圖3和4表示可用于壓力調(diào)制控制的中間閥10的示例性實(shí)例。除了限制裝置35和36以及添加的腔室37之外，附圖中的裝置10的結(jié)構(gòu)與圖1和2中的裝置10相同。裝置中所提供的調(diào)制壓力Ps可以是腔室37內(nèi)的壓力。腔室37可在將要進(jìn)行調(diào)制的壓力P1下連接到孔口27上。在孔口27的入口處的是輸入壓力P1，并且在孔口內(nèi)的可以是限制裝置36。另一孔口26可具有限制裝置35，并且在孔口出口的出口壓力P2。中央極或座25可略微高于隔膜的夾緊邊緣，并且由于隔膜的預(yù)應(yīng)力，可以密封閥座25。在頂部11和隔膜19的電極13和22上分別施加電壓，隔膜19可向上運(yùn)動(dòng)，并且孔口27和26之間的連接開啟，使得孔口之間流體連通。包括橫向開口24的隔膜19的一部分可接觸頂部11。開口24可以閉合，并且從隔膜19以上的腔室15密封隔膜以下的容積。
在施加在電極13和22的電壓增加的情況下，隔膜19運(yùn)動(dòng)一定距離，但是由于隔膜閉合的腔室容積15和經(jīng)由開口或通道16連接到容積15上的緩沖容積內(nèi)形成的壓力，隔膜將停止。對于施加到電極13和22上的驅(qū)動(dòng)電壓的某個(gè)大小來說，緩沖容積17的數(shù)值或尺寸可確定隔膜19在其停止在某個(gè)位置上之前的向上運(yùn)動(dòng)和位移。驅(qū)動(dòng)電壓的大小可設(shè)置某個(gè)最大值。緩沖容積17可進(jìn)行調(diào)節(jié)。隔膜19以及容積15和17內(nèi)的壓縮氣體的氣動(dòng)阻力以及設(shè)置電壓，隔膜可在拉入效應(yīng)出現(xiàn)之前停止。隔膜19的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)態(tài)位移可以是平穩(wěn)和穩(wěn)定的。通過向上運(yùn)動(dòng)的隔膜，所造成的容積15和17內(nèi)的壓縮氣體可提供抵抗隔膜19頂部的阻力。這種抵抗隔膜的阻力用作可變的“空氣彈簧”?？梢跃哂锌勺兊臍鈩?dòng)阻力，形成由可調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的隔膜和位于出口26上的閥座25構(gòu)成的可變限制裝置。這種可變氣動(dòng)阻力以及孔口27和26的限制裝置36和35各自形成氣動(dòng)壓力分配器。對于入口孔口27的某種輸入壓力P1和出口孔口26處的輸出壓力P2(P1＞P2)來說，可以使得壓力Ps進(jìn)行很好的控制調(diào)制。
在孔口27處具有壓力傳感器41并連接到控制器40上。控制器還可連接到電極13和22上。控制器40可根據(jù)來自傳感器41的輸入通過施加到電極上的電壓以預(yù)定壓力調(diào)制流量29的壓力。編程和/或軟件可用來通過控制器控制配置或結(jié)構(gòu)10。圖5表示連接到中間閥配置10上的控制器40。
結(jié)構(gòu)10可方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便滿足不同應(yīng)用，例如用于微型血球計(jì)數(shù)器的一次性盒或其它裝置。結(jié)構(gòu)10還可結(jié)合在MEMS結(jié)構(gòu)、裝置或類似物中。
在當(dāng)前說明書中，即使不需要指出，某些材料可以具有假設(shè)性能。
雖然相對于至少一個(gè)示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀說明書時(shí)將理解許多變型和改型。因此，所打算是所附權(quán)利要求應(yīng)該針對現(xiàn)有技術(shù)盡可能廣義地進(jìn)行解釋，從而包括所有的這些變型和改型。
權(quán)利要求
1.一種靜電閥，包括具有入口和出口的第一結(jié)構(gòu)；位于第一結(jié)構(gòu)上以便形成第一空腔的隔膜；位于隔膜上以便形成第二空腔的第二結(jié)構(gòu)；連接到隔膜上的第一電極；以及連接到第二結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上的第二電極；以及其中隔膜在第一和第二空腔之間具有可閉合的開口。
2.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于，隔膜具有第一位置和第二位置。
3.如權(quán)利要求2所述的閥，其特征在于，在隔膜位于第一位置時(shí)，出口閉合；在隔膜位于第一位置時(shí)，開口開啟；在隔膜位于第二位置時(shí)，出口至少部分開啟；以及在隔膜位于第二位置時(shí)，開口閉合。
4.如權(quán)利要求3所述的閥，其特征在于，隔膜的第二位置是隔膜通過第二空腔內(nèi)的流體壓力停止的位置。
5.如權(quán)利要求4所述的閥，其特征在于，入口是常開的。
6.如權(quán)利要求5所述的閥，其特征在于，在第一和第二電極施加電壓可造成隔膜運(yùn)動(dòng)到第二位置；以及從第一和第二電極上去除電壓可造成隔膜運(yùn)動(dòng)到第一位置。
7.如權(quán)利要求6所述的閥，其特征在于，還包括連接到第二空腔上的第三空腔。
8.如權(quán)利要求7所述的閥，其特征在于，還包括靠近入口的傳感器。
9.如權(quán)利要求8所述的閥，其特征在于，還包括連接到傳感器上的處理器以及第一和第二電極。
10.一種閥機(jī)構(gòu)，包括具有形成第一腔室和第二腔室的隔膜的主體；以及形成在第一腔室內(nèi)的第一孔口和第二孔口；以及其中隔膜具有限制流體在第一孔口和第二孔口之間流動(dòng)的第一位置以及使得流體在第一孔口和第二孔口之間流動(dòng)的第二位置；固定在隔膜上的第一電極；以及在第二腔室內(nèi)固定在主體上的第二電極。
11.如權(quán)利要求10所述的機(jī)構(gòu)，其特征在于，在電壓施加到第一和第二電極上時(shí)，隔膜在第一位置和第二位置之間致動(dòng)。
12.如權(quán)利要求11所述的機(jī)構(gòu)，其特征在于，朝著第二位置運(yùn)動(dòng)的隔膜通過隔膜壓縮第二腔室內(nèi)的容積來增加運(yùn)動(dòng)中的阻力。
13.如權(quán)利要求12所述的機(jī)構(gòu)，其特征在于，隔膜在第一和第二腔室之間具有開口；在隔膜位于第一位置時(shí)，開口開啟；以及在隔膜位于第二位置時(shí)，開口閉合。
14.如權(quán)利要求13所述的機(jī)構(gòu)，其特征在于，在停止時(shí)，朝著第二位置致動(dòng)的隔膜遭遇第二腔室的空腔彈簧的作用。
15.如權(quán)利要求14所述的機(jī)構(gòu)，其特征在于，入口孔口具有限制裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的機(jī)構(gòu)，其特征在于，出口孔口具有限制裝置。
17.如權(quán)利要求14所述的機(jī)構(gòu)，其特征在于，還包括具有連接到第二腔室上的緩沖容積的第三腔室；以及其中緩沖容積連接到第二腔室的容積上，造成等于緩沖容積和第二腔室的容積之和的組合容積。
18.如權(quán)利要求14所述的機(jī)構(gòu)，其特征在于，還包括連接到第一和第二電極上的控制器。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，還包括靠近入口孔口的流量傳感器；以及其中流量傳感器連接到控制器上。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，控制器可按照預(yù)先流量設(shè)置以及來自流量傳感器的流量指示提供進(jìn)入入口孔口的流量調(diào)制，并且控制器可提供確定何時(shí)和多少電壓施加到第一和第二電極層上的輸出。
21.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，還包括靠近入口孔口的流量傳感器；以及流量傳感器連接到控制器上。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，控制器可按照預(yù)先流量設(shè)置以及來自流量傳感器的流量指示提供進(jìn)入入口孔口的流量調(diào)制，并且控制器可提供確定何時(shí)和多少電壓施加到第一和第二電極層上的輸出。
23.一種閥裝置，包括具有入口孔口和出口孔口的底部結(jié)構(gòu)；位于底部結(jié)構(gòu)上的頂部結(jié)構(gòu)；位于頂部結(jié)構(gòu)和底部結(jié)構(gòu)之間的隔膜；形成在頂部結(jié)構(gòu)的頂表面上的第一電極；以及形成在隔膜的頂表面上的第二電極；以及其中隔膜具有中央部分和外周邊；外周邊固定在頂部結(jié)構(gòu)和底部結(jié)構(gòu)之間；空腔形成在頂部結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面和隔膜之間；第一位置上的隔膜具有位于底部結(jié)構(gòu)上的中央部分，并且第二孔口閉合；位于第二位置上的隔膜具有離開底部結(jié)構(gòu)的中央部分，并且第二孔口開啟，造成與第一孔口流體連通；以及施加到第一和第二電極上的電壓可造成隔膜運(yùn)動(dòng)到第二位置。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，第二位置上的隔膜壓縮空腔內(nèi)的容積。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，空腔內(nèi)的容積為運(yùn)動(dòng)到第二位置的隔膜提供某種阻力。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，該容積防止隔膜在第一和第二電極層之間出現(xiàn)拉入效應(yīng)。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，該容積限制隔膜運(yùn)動(dòng)到第二位置。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，隔膜具有開口，該開口最初防止容積為運(yùn)動(dòng)到第二位置的隔膜提供阻力，直到隔膜運(yùn)動(dòng)一定距離位置，其中接觸開口的隔膜的某個(gè)部分的一部分接觸頂部結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面的相應(yīng)部分，并且閉合開口，由此密封該容積。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，在從第一和第二電極層上去除電壓時(shí)，隔膜可運(yùn)動(dòng)到第一位置，由此開啟開口，并且閉合第二孔口。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，在隔膜位于第一位置時(shí)，流體可經(jīng)由該開口從第一孔口流入該容積。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，控制器確定何時(shí)電壓施加到第一和第二電極層上。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，還包括具有連接到頂部結(jié)構(gòu)上的緩沖容積的閉合件；以及其中緩沖容積連接到空腔的容積上，造成等于緩沖容積和空腔的容積之和的組合容積。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，緩沖容積可以調(diào)節(jié)。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，還包括靠近入口孔口以便監(jiān)測入口孔口流量的流量傳感器；以及其中流量傳感器連接到控制器上。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，控制器可按照預(yù)先流量設(shè)置以及來自流量傳感器的流量指示提供進(jìn)入入口孔口的流量調(diào)制，并且控制器可提供確定何時(shí)和多少電壓施加到第一和第二電極層上的輸出。
36.如權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，還包括靠近入口孔口以便監(jiān)測入口孔口的壓力的壓力傳感器；以及其中壓力傳感器連接到控制器上。
37.如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于，控制器可按照預(yù)先壓力設(shè)置以及來自壓力傳感器的壓力指示提供入口孔口處的流體壓力調(diào)制，并且控制器可提供確定何時(shí)和多少電壓施加到第一和第二電極層上的輸出。
38.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，底部結(jié)構(gòu)是塑料模制部件；以及頂部結(jié)構(gòu)是塑料模制部件。
39.如權(quán)利要求38所述的裝置，其特征在于，第一電極層包括沉積在頂部結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上的金屬層；以及第二電極層包括沉積在隔膜的頂表面上的金屬層。
40.如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，第一電極層還包括沉積在金屬層上的介電層；以及第二電極層還包括沉積在金屬層上的介電層。
全文摘要
一種靜電閥，包括具有入口和出口的第一結(jié)構(gòu)；位于第一結(jié)構(gòu)上以便形成第一空腔的隔膜；位于隔膜上以便形成第二空氣的第二結(jié)構(gòu)；連接到隔膜上的第一電極；以及連接到第二結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上的第二電極；其中隔膜在第一和第二空腔之間具有可閉合的開口。
文檔編號F16K31/02GK1828104SQ20061000473
公開日2006年9月6日 申請日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月28日
發(fā)明者E·I·卡布斯, C·卡布斯, C·巴納 申請人:霍尼韋爾國際公司