微型機電系統的控制閥的製作方法
2023-04-29 15:22:01
專利名稱：微型機電系統的控制閥的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種閥裝置，尤其是應用於例如MEMS-結構(微型機電系統)中的微型控制閥。
申請領域控制閥主要應用於氣動系統，如氣動製造系統中，用來控制大型氣動執行機構中的壓力。該執行機構應用於工藝處理設備中，例如應用於移動大型機械設備或對大型閥進行控制的生產過程中。
該控制閥經常被用作為IP調節器，其具有一個電(I為電流)輸入和一個氣動(P為壓力)輸出，這樣，當一個供給裝置，如具有較高恆定壓力的壓縮機提供氣體輸入的時候，一個模擬的電信號就會在輸出端產生相應比例的氣動壓力。
現有技術目前大量使用的工業用IP調節器為ABB生產的TEIP 11型信號轉換器[1]，用來將標準的電輸入信號轉換為標準的氣動壓力輸出，如將4-20mA的電流轉換為0.2-1bar的氣壓輸出信號。
儘管安裝大型氣動壓縮機的工廠幾乎都配置有過濾裝置用來在使用壓縮空氣時保護設備，並且設備本身也會安裝過濾裝置，眾所周知，由於暴露在加壓空氣中的表面上的薄膜沉積會造成的狹窄空氣通道的堵塞，從而常常限制這些設備的正常運轉。另外，這樣還會使可拆卸的部件永久地粘在其它部件上而變成廢件。上述沉積在運轉過程中積聚，最終會干擾設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備的系統的運轉壽命且增加了維修費用，由於這種情況下的IP調節器直接暴露在氣流中，它們的正常運轉決定了系統的正常運轉，當覺得有上述問題發生時，在大多數情況下都只是用新設備更換掉有故障的調節器。
發明目的本發明的目的之一是提供一種閥，使其對在供給空氣中存在的雜質具有增大的容許度。
本發明的另一個目的是提供一種控制閥，使其在可能被雜質或液滴汙染的加壓空氣氣流環境下具有更長的有效運轉壽命。
更進一步，本發明的另一個特殊目的是提供一種微型控制閥，使得雜質，特別是以油和微粒混合物形式存在的雜質可以順利地通過閥體，使其不會附著在閥體表面上，並在閥體內部形成具有危害性的黏附膜。
發明概述本發明的目的可以通過具有如權利要求1所述的特徵的閥來實現。
本發明的更多優選實施例可以根據從屬權利要求，相應的描述和附圖獲得。
圖1A顯示了根據現有技術的一種IP調節器的臨界流出口情況。
圖1B顯示了根據現有技術的第二種IP調節器的臨界流出口情況。
圖2顯示了在閥出口附近形成膜或層所涉及的一些可能的機構。
圖3A顯示了圖1B所示閥內的微粒傳送的計算機模擬的流體動力學模型。
圖3B顯示了圖1A所示閥內的微粒傳送的計算機模擬的流體動力學模型。
圖4顯示了根據本發明具有可彎曲膜片的基於MEMS的IP調節器的例子中的一個工作部件。
圖5顯示了在根據圖4所示的閥的調節器內微粒流體的計算機模擬的流體動力學模型。
圖6顯示了根據本發明的基於MEMS的IP調節器的另一個實施例。
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度彎角結構中，為了較好地阻止沉積的形成所用的結構規則或者設計規則。
具體實施例方式
下面將參考附圖1-3對典型的現有技術中的局限性作出更具體的解釋。附圖1A顯示了包含水/油/微粒等雜質的空氣流體F流過典型IP調節器的出口部位的情況。受衝擊的第一節流口或噴嘴D1被固定，在這種情況下，其橫向尺寸為0.25mm。即使該噴嘴相對很窄，通常也不會造成受汙染的供給空氣在IP-閥中的重要部件上形成沉積的問題。第二節流口D2位於出口處，如圖所示，在擋板100和閥體101之間具有寬度X可變化的一個間隙。間隙寬度X由於作用在擋板臂103上的作用力102而發生變化，該作用力使得擋板臂103圍繞其旋轉支點104轉動一個微小的角度。X值通常非常小，在10-40μm的範圍內。當寬度X變化時，氣流發生變化，從而使壓力Pst也發生相應的變化。該壓力可以輸送至下述的「增壓器」或空氣放大器(未示出)。空氣放大器隨後輸送具有一定壓力和速率的氣流用以控制大型的氣動執行機構等。
附圖1B顯示了空氣和微粒流體以直角通過可變寬度為X的間隙離開出口進入大氣前，在橫向尺寸為D2的圓形閥體101內流過的情況。
附圖2顯示了在擋板100和出口2附近的重要區域110上形成膜或層的複雜過程中可能涉及到的一些機械裝置。在此類閥中常見的故障表現為在閥座106和/或擋板100上的層105的沉積，當它們彼此接觸或者離得非常近時，就會使擋板100粘在閥座106上。通常，調節作用力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會造成整個IP調節器的失效，從而導致整個IP調節器的更換。僅僅由於上述故障，使得該存在故障的IP調節器通常被報廢。
值得注意的是，多年生產和使用這類IP調節器的經驗已經顯示出，噴嘴D1並不會導致上述問題的發生，而擋板部件100，103則是導致這類問題發生的重要原因。
以上所述與在我們的實驗室中建立的計算機模擬的流體動力學模型相一致。如附圖3所示，該模型已經顯示出氣流中的絕大部分微粒與擋板100的重要區域110發生撞擊，而只有極少數微粒與D1-噴嘴的狹窄通道發生撞擊。
附圖3A顯示出計算機模擬的流體動力學(CFD)模型的結果，圖示出微粒流體如何隨氣流由左向右流動並垂直穿過位於閥體101和擋板100之間的狹縫G流向外部的情況。該圖對應於附圖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並停止在撞擊點不再隨氣流流動。可以看到幾乎沒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，一些微粒在進入噴嘴通道D1前撞到豎壁21上，然而，這並不是一個非常重要的區域。流體中所有的空氣都被假設由帶有至少一對(雙)空氣過濾器的壓縮機供給，模擬的IP調節器也在它的入口處安裝有良好的過濾器。
儘管閥上都安裝了過濾器以阻止微粒進入閥體，但是這種過濾器允許小尺寸的特定微粒通過。將閥體的流體流動通道設計成使得進入閥中的特定微粒沿弧線流動而不會撞到閥壁上的形狀是本發明的一個主要特徵。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為根據本發明的MEMS-閥，特別是用於IP調節器的控制閥的第一實施例的示意圖。該閥包括由流體通道2連接的流體進口3和流體出口4，以上結構由通過對玻璃和/或矽進行微量切削加工而製造出的結構件5和壁形成。該閥還包括可以設置在至少兩個不同位置的激勵器1、8、9以用來使流體通道2的流動橫截面發生改變。流體進口、出口和通道的幾何形狀有利於防止流體突然地改變其流動方向使得流體內液滴和/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於流體入口而形成的充分單向流動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。本發明的這個實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器、熱激勵器或者壓電式激勵器彎曲非剛性膜片1，改變流體通道的內橫截面Y而使流體通道2形成節流部。如圖4所示，在對著流體通道1的底板5C的表面上設有激勵器的電極9，激勵器的另一個電極8位於膜片1的底部。激勵器產生的作用力由與激勵器1、8、9相電耦合的控制裝置(未示出)給出。
本發明的第一實施例可以通過一個所謂的三層MEMS工藝實現。中間板5B，優選地由矽製成，其被密封在均優選地由玻璃製成的頂板5A和底板5C中間。所述板可以通過使用電鍍結合的手段進行密封。在三層板中，可以蝕刻出用來運送供給空氣和輸出空氣的溝槽或通道以及輔助的通道。在面對流體通道2的底板5C的表面上設置有第一導電電極9，優選採用金屬電極，可以通過在其頂部塗保護層來防止其受到流體的破壞。在對著通道2的膜片1的表面上設置有第二薄導電電極8，其由一金屬層或非剛性膜片1的高度攙雜部位構成，電極8也優選地由一薄保護層進行保護並且該保護層優選地為氧化矽層。該矽制膜片1是中間板5B上整體形成的一部分，優選地通過在單獨一片矽材料上蝕刻形成。典型的情況為，該膜片的寬度和長度均為200μm的整數倍，而通道的橫截面Y也為20μm的整數倍，使得Y＜＜L。該金屬和可能的半導體電極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之間就會產生引力，將膜片1拉向底板5C。通過這樣的手段，就會使流體通道2的橫截面或者橫截面尺寸Y減小，從而減少通過設備的流量。
在附圖4所示構件的前面，即圖示中的左側具有如圖1中所示的直徑為D1的噴嘴，該噴嘴作為如圖4所示的三層結構中的一部分可以很容易地被製造出來。在D1噴嘴和可變橫截面的閥之間的控制壓力被導向增壓器裝置，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執行機構的程度。通過對激勵器電極8、9提供適當的電壓，從而使膜片1產生適當的彎曲可以對該控制壓力進行調節。
第一實施例由於具有大的氣流曲率半徑的特徵，因而使得只有極少的微粒會撞擊並附著在流體通道特別是流體通道內的內壁上。附圖5的計算機模擬的流體動力學(CFD)模型證明了上述結論，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之間的流體通道內的微粒運動軌跡。矩形膜片1在其中部具有最大撓度，相應地形成了流體通道2的最窄的部分。相應地，流體的分布如圖5所示，並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所示的結構對於解決結構壁上的微粒雜質來說是比較理想的。
在流體通道中將形成一個電場是上述靜電激勵器的一個潛在的缺點，如果這個電場只指向一個方向的話，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的側壁上，形成不希望的沉積。高流速和其它一些因素也會造成流體中的微粒帶電。
電極之間的靜電力吸引是不受場方向限制的。因此，在電極8，9之間形成與場方向相反的周期性的交變電流/電壓可以驅動電極8，9。優選地，交變頻率要遠大於膜片的基本共振頻率，對於本申請來說，該範圍為10-50kHz。我們要使用合適的交流發電機或者交流驅動電路(未示出)來產生用來驅動電極8，9的交流驅動信號。該發電機對於本領域技術人員來說是非常熟悉的。
可以想到，這樣的高頻場可以在流體通道2內產生自清潔的作用，表面的沉積會被高頻激勵器驅動信號剝落下來，並隨著流體被衝出該設備，而不會影響該設備的主要功能。
當採用蝕刻的手段對矽制中間板5B進行微加工時，在膜片的後面形成腔室14，該腔室需要一個合適的基準壓力以用來調節膜片的撓度。在某些情況下，需要相當大的驅動力來獲得所需撓度，除非圖4中腔室14的壓力由根據腔室14和流體通道2中的壓力差進行控制的方法來調節。典型的情況為電極電壓被限制在200V左右，高於該值時，會在電極8，9之間的介質中發生絕緣擊穿的現象。
在本發明的第二實施例中，提供了一種MEMS-閥，如圖6所示，為IP調節器中的控制閥。該閥包括流體進口3，流體通道2，流體出口4。流體通道2連接流體進口3和流體出口4。在本例中，流體出口4被設置為與流體進口3基本垂直，而不是如第一實施例中描述的那樣。
在本發明的第二實施例中，流體通道2具有一個可彎膜片1形式的激勵器，優選地在矽上微加工制出。膜片1和與其相連接的閥凸臺15可以由靜電激勵器、熱激勵器或者壓電式激勵器來驅動發生位移，從而改變流體通道的內部橫截面或內部橫截尺寸。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口3和流體出口4之間的壓力降。驅動力至少部分地由與激勵器電路連接的控制裝置來控制。
MEMS-閥的結構和幾何設計針對供應流體中的雜質採用了高容許度，閥的橫向尺寸隨著流體中微粒或液滴的密度，尺寸以及速率而增大，使得幾乎所有的雜質或液滴都隨著轉角周圍的流體流動，而不會撞擊到閥體的內壁上。流體出口4的橫向尺寸的增加相對於現有技術是相當大的改進。讓流體出口4的橫向尺寸或橫截面尺寸大於由流體、流體入口3和微粒或液滴決定的限制閥的尺寸，根據模型可以發現，撞擊到內壁上的雜質或液滴的數量顯著減少。參考附圖7，限制閥的尺寸由下述公式給出Lcrit=V1fm3fd10]]>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表示微粒或液滴的質量，μf表示流體的粘度，Δρ表示微粒或液滴與流體的密度差，d表示微粒或液滴的直徑。
微粒的質量由下式給出m=43(d2)2(f+).]]>附圖7為重要區域的示意圖，圖中標出了幾何尺寸設計的主要參數。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)=L1L24L22V1]]>下列等式可以被推導出用來表達微粒或液滴的路徑與流體出口4的橫向尺寸之間的關係f(L2)=V1fm3fL2[1-e3f(L1+L3)L22fmV1L1]]]>其中，L3表示流體出口4的長度。L1和L2的代表值為L1＝20×10-6mL2＝500×10-6m當f(L2)＞1時，微粒將撞擊到流體出口4的內壁上。當f(L2)＜1時，微粒將離開流體出口4而不撞到內壁上。因此，可以得到一個極限值L2＞χpmax，只要
xpmax=V1fm3fd]]>微粒就不會撞到流體出口的內壁上。
這一等式還可以被看作為了獲得對通道內壁上的油/微粒的沉積的高抗性，而遵守的結構準則和設計準則。
附圖8顯示了f(L2)與L2的函數關係。從圖8的圖表可以看出，為了使f(L2)小於1，在這種情況中，L2應該設計為大於300μm。在實際中，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力學模型，以便找出更精確的L2的數值。
圖4和圖6的結構可以看作是入口與出口成任意角度並且由可控制橫截面積的通道進行連接的普通情況中的兩種極限情況。對於普通情況來說，設計原則更接近於圖6中所建立起來的結構形式。
圖6中的結構也優選地在上述的三層MEMS-工藝中實現。氣流以壓力P1從圖6中的右側進入裝置，在進入到流體通道入口3之前通過噴嘴D1，噴嘴D1左側的腔室內的壓力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中可以調節的的活動部分。激勵器的第一電極8優選地位於膜片1的上部，即膜片上背對流體通道2的一側。該電極不直接暴露在氣流中。激勵器的第二電極9優選地位於上部玻璃板5A的下側。以這種方式，兩個電極可以在膜片1與上玻璃板5A之間形成的腔室14內建立起一個電場。
本結構具有下述一些優點，第一個就是，當壓降只作用在閥凸起15上時，激勵器可以在整個膜片上進行工作。這減小了對為了獲得給定壓力降的作用力的需要。
另一個顯著的優點就是，激勵器的電場不再延伸到流體通道2中，因此，該電場也就不再導致流體通道2內沉積或膜的形成。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，該裝置安裝有氣動反饋裝置12、13、14。該反饋裝置包括連接流體通道2和位於膜片1一側的腔室14的連接器13，該反饋裝置12、13、14確保了高壓側MEMS-通道2、3、4中的一部分被反饋到腔室14中，以便於降低腔室14與通道2、3、4之間的壓差，並相應地減少了激勵器的所需電壓。具有節流口kx1和kx2的通道以虛線示出。可以通過選擇kx1和kx2來確定節流口部分的壓降。通過對反饋壓力Px的取值使得膜片的彈力、激勵器的靜電力之間的平衡關係得到優化。該反饋裝置也可以被用於圖4所示的實施例中。
為了進一步減少微粒的沉積，可以在MEMS製作過程中通過合適的蝕刻工藝來對流體通道2內的所有尖角，尤其是那些在閥凸起15下面位於流體通道2的入口處的尖角進行倒圓角，從而避免了在轉角後的壁上發生大的流動突變和相應的沉積問題。
而為了減少微粒的沉積所作的另一個改進是在設備中的所有通道的內壁上塗一薄(納米技術的)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，甚至是凝結的蒸汽都被設備的內壁所排斥。
該閥也可以包括熱或壓電式激勵器設備，將其與上述的靜電激勵器分開或組合使用，以使該設備獲得改進的功能，例如，可以提供改進的方法以控制裝有激勵器的膜片的彎曲。
參考[1]ABB product datasheet for TEIP 11，「I/P Signal Converter For StandardSignals」，10/99，from ABB Automation Products GmbH，Minden，Fed.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權利要求
1.一種閥，如IP調節器中的控制閥，具有如MEMS-結構，包括由流體通道(2)連接的流體入口(3)和流體出口(4)，對玻璃和/或矽進行微量切削加工生產出的壁部和結構(5)構成上述通道和出入口，該閥還包括可被設置在至少兩個不同位置處的激勵器(1，8，9)以改變流體通道(2)的流動截面，其特徵在於該流體入口，出口及通道的幾何結構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/或微粒等雜質的絕大部分撞擊到結構的內壁上，該結構可以是滿足下列兩個極限情況或在它們之間的任何設置形式i)流體出口與流體入口垂直，流體出口的尺寸大於一個極限值，該極限值Lcrit由下式Lcrit=V1fm3fd]]>估算出，其中，V1表示進口流體通道(3)的出口端平均流速，ρf表示流體的密度，m表示微粒或液滴的質量，μf表示流體的粘度，Δρ表示微粒或液滴與流體的密度差，d表示微粒或液滴的直徑，並且m表示微粒的質量或者是由CFD-工具(計算機模擬的流體動力學模型)估算出的，ii)流體出口與流體通道和流體入口平行設置，呈完全單向流動方式。
2.如權利要求1所述的閥，其特徵在於包括一個安裝在流體通道(2)內的非剛性膜片(1)。
3.如權利要求2所述的閥，其特徵在於包括一個靜電激勵器(1，8，9)，其第一電極(8)位於膜的面對流體通道的一側上，第二電極(9)位於流體通道(2)內與膜(1)相對的位置上，通過改變激勵器(1，8，9)上的電壓可以改變流體通道橫截面。
4.如權利要求1-3中任意一個所述的閥，其特徵在於包括一個靜電激勵器(1，8，9)，其第一電極(8)位於膜的背對流體通道的一側上，第二電極(9)位於面對第一電極的一個(通常地)平坦表面上，電極(8，9)之間形成腔室(14)，其內部作用有激勵器(1，8，9)產生的電場，從而避免了在流體通道(2)內產生電場，使流體中的微粒流動朝向通道的內壁。
5.如權利要求3或4所述的閥，其特徵在於用於激勵器(1，8，9)的交流電壓需要在膜片(1)上產生合適頻率的振動，該振動使得附著在膜片(1)上的微粒或薄層鬆動，從而被氣流衝出設備。
6.如前面任意一個權利要求所述的閥，其特徵在於包括用於減少膜片(1)兩側壓差的氣動反饋裝置(12，13)。
7.如權利要求6所述的閥，其特徵在於氣動反饋裝置(12，13)包括位於流體通道(2)和膜片(1)一側的腔室(14)之間的流體連接器(13)。
8.如前面任意一個權利要求所述的閥，其特徵在於在MEMS製作過程中通過合適的蝕刻工藝來對流體通道2內的所有尖角，尤其是那些在閥凸起15下面位於流體通道2的入口處的尖角進行倒圓角，從而避免了在轉角後的壁上發生大的流動突變和相應的沉積問題。
9.如前面任意一個權利要求所述的閥，其特徵在於包括塗在設備中所有通道的內壁上一個薄(納米技術的)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，甚至是凝結的蒸汽。
全文摘要
一種閥，如用於MEMS結構中的IP調節器的控制閥，包括由流體通道連接的流體進口(3)和流體出口(4)，對玻璃和/或矽進行微量切削加工生產出的壁部和結構(5)構成上述通道和出入口。激勵器(1，8，9)可以被設置在至少兩個不同的位置上，用來使流體通道(2)的流動橫截面發生改變。流體進口，出口和通道的幾何形狀有利於防止流體突然地改變其流動方向使得流體內液滴和/或微粒中的大部分撞擊在結構的壁上，上述結構可以是符合或在下列兩個極限之間的任何設置方式i)流體出口與流體入口垂直，該出口的尺寸大於一個極限尺寸，L
文檔編號F16K31/02GK1675487SQ03818805
公開日2005年9月28日 申請日期2003年6月6日 優先權日2002年6月6日
發明者K·阿斯基爾德特, A·尼斯韋恩, O-M·米德特加德 申請人:Abb研究有限公司