Die Erfindung betrifft das Gebiet integrierter, elektrisch bedienbarer Mikroventile und insbesondere das Gebiet integrierter Mikroventile mit niedriger Leckrate für industrielle, ätzende und ultrareine Anwendungen.

Durch Mikromaterialbearbeitung hergestellte, integrierte Ventile sind im Stand der Technik bekannt. Beispiele für verschiedene Ausführungsformen von solchen Schließventilen findet man in den US-Patenten 4,821,997 und 4,824,073 und 4,943,032 und 4,966,646 von Mark Zdeblick, die auf die Universität von Stanford übertragen sind und auf die im Nachfolgenden als die "Zdeblick"-Patente Bezug genommen wird. Solche Ventile umfassen im Allgemeinen einen Dreischichtaufbau, bei dem die oberen beiden Schichten dazu verwendet werden, einen verschlossenen Hohlraum mit einem darin eingeschlossenen Fluid zu bilden, das einen niedrigen Siedepunkt und/oder hohen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und wobei eine Wand dieses Hohlraums als dünne, flexible Membran ausgebildet ist. Bei den oberen beiden Schichten kann es sich um Silizium-, Quarz- oder Glassubstrate oder jedes andere geeignete Material handeln. Typischerweise besteht mindestens eine Schicht bzw. mindestens ein Substrat aus Silizium, um bei der Ausbildung des Hohlraums und der flexiblen Membran Vorteile aus den Silizium-Mikromaterialbearbeitungsverfahren zu ziehen. Die Ventile der "Zdeblick"-Patente umfassen auch ein Widerstandselement, das an einer inneren Oberfläche des verschlossenen Hohlraums ausgebildet ist. Dieses Element hat elektrische Verbindungen zu einer Stromquelle, um für einen elektrischen Eingang durch den Widerstand zu sorgen, wodurch sich ein daraus resultierender Heizeffekt ergibt. Die untere Lage weist typischerweise einen Ventilsitz und eine darin ausgebildete Öffnung auf. Auf diese Weise kann eine Fluidströmung angehalten werden, indem die Ventilöffnung geschlossen wird, um die Strömung über den Ventilsitz und durch die Öffnung zu unterbrechen. In den "Zdeblick"-Patenten wird, wenn ein Strom durch den Widerstand geschickt wird, das eingeschlossene Fluid erwärmt, wodurch die flexible Membran weit genug durchgebogen wird, um mit dem am unteren Körper ausgebildeten Ventilsitz in Kontakt zu gelangen. Somit ist zwischen dem Eingangskanal und dem Ausgangskanal durch die Öffnung die Fluidströmung unterbrochen.

Für einige Anwendungen eignen sich Schließventile, aber bei anderen Anwendungen werden Öffnungsventile benötigt, d. h. Ventile, bei denen im abgeschalteten Zustand keine Strömung vom Eingangskanal zum Ausgangskanal stattfindet. Ein Beispiel für ein derartiges Öffnungsventil ist das Mikroventil Fluistor^TM (Marke von Redwood Microsystems, Inc., Menlo Park, Kalifornien) (NC-105), das von Redwood Microsystems Inc. hergestellt wird. Mit Bezug auf die 1 ist eine vereinfachte Darstellung dieses Ventils im abgeschalteten Zustand gezeigt. Beim Fluistor^TM-Ventil ist eine flexible Membran 20 aus einer mittleren Ebene bzw. einem mittleren Substrat 14 herausgearbeitet. Die flexible Membran 20 dient auch als Wand für einen Hohlraum 26, der zwischen dem mittleren Substrat 14 und einer oberen Ebene bzw. einem oberen Substrat 16 gebildet ist. Im Hohlraum 26 ist ein Widerstands- bzw. Heizelement 30 ausgebildet, um für die Erwärmung eines Fluids 28 (in "gewundenen" Linien dargestellt) zu sorgen, das in dem Hohlraum 26 leckfrei aufgenommen ist. Das Fluid 28 ist so gewählt, dass es sich bei Erwärmung ausdehnt und die flexible Membran 20 sich biegen oder bewegen lässt. Über eine mechanische Verbindung bzw. einen Sockel 22 wird diese Bewegung auf eine untere Ebene bzw. ein unteres Substrat 12 übertragen. Wenn das Substrat 12 wie beim Fluistor^TM NC-105 ortsfest ist, führt eine Bewegung der flexiblen Membran 20 in Verbindung mit der Anordnung des Sockels 22 dazu, dass sich das mittlere und obere Substrat 14 bzw. 16 vom unteren Substrat 12 weg bewegen. So trennt sich also das Substrat 12 vom mittleren Substrat 14, und eine durch das Substrat 12 hindurch ausgebildete Auslassöffnung 44 wird an einem Ventilsitzbereich 40 freigegeben bzw. geöffnet. Auf diese Weise wird die Auslassöffnung 44 geöffnet und in fluidische Verbindung mit einer Einlassöffnung 42 versetzt.

Das Fluistor^TM-Ventil arbeitet gut beim Steuern der Strömung von nicht korrosiven Fluiden und/oder dort, wo Leckraten von nicht unter ungefähr 1 × 10^–4 cm³-atm/sec Helium (Kubikzentimeter-Atmosphären pro Sekunde, wenn mit Helium kalibriert) gefordert sind.

Es ist jedoch nicht für Anwendungen ausgelegt, die die Steuerung von korrosiven Fluiden erfordern, und/oder für Anwendungen, die Leckraten von 1 × 10^–6 cm³-atm/sec Helium oder weniger erfordern. Darüber hinaus verwendet das Fluistor^TM-Ventil, genau wie die Ventile der "Zdeblick"-Patente, das Material der flexiblen Membran 20 oder eine sich daran anschließende Verlängerung zur direkten Abdichtung der Öffnung 44. Solch eine direkte Verwendung der Membran 20 schränkt die Konstruktionsmöglichkeiten des Ventils 5 ein.

Demzufolge besteht ein Bedarf an einem integrierten Mikroventil, das zur Steuerung von korrosiven Fluiden eingesetzt werden kann. Es besteht auch ein Bedarf an einem integrierten Mikroventil, mit dem eine Leckrate von 1 × 10^–6 cm³-atm/sec Helium oder weniger erreicht werden kann. Darüber hinaus besteht ein Bedarf an einem integrierten Mikroventil, mit dem man korrosive Fluide steuern kann, während eine Leckrate von 1 × 10^–6 cm³-atm/sec Helium oder weniger erreicht wird. Schließlich besteht ein Bedarf an einem Schließ- bzw. Öffnungsmikroventil, das die oben genannten Erfordernisse erfüllt, ohne dass die flexible Membran als eine im Wesentlichen direkte Abdichtvorrichtung für die Ventilöffnung verwendet wird; auf diese Weise erhöhen sich die Konstruktionsfreiheit sowie der Bereich potentieller Anwendungen für das Mikroventil.

Ein erfindungsgemäßes, integriertes Mikroventil, das allgemein auch als Mikrominiatur-Ventil bezeichnet wird, ist in Anspruch 1 definiert. Dementsprechend verwendet das Mikroventil eine flexible Membran mit einer mechanischen Verbindung, um ein Ventilelement zu bewegen. Die flexible Membran bewegt sich in Ansprechung auf einen Energieeingang in eine Energieumwandlungsvorrichtung. So wird in einigen Ausführungsformen elektrische Energie an die Energieumwandlungsvorrichtung einem Heizwiderstand zugeführt, und durch die vom Heizwiderstand erzeugte Wärmeenergie wird das in einem verschlossenen Hohlraum eingeschlossene Fluid dazu gebracht, sich auszudehnen; das sich ausdehnende Fluid biegt eine flexible wand bzw. flexible Membran durch. Bei einigen Ausführungsformen sorgt die Energieumwandlungsvorrichtung zusätzlich zur Erwärmung auch für eine Kühlung.

Die flexible Membran ist durch eine mechanische Verbindung an das Ventilelement gekoppelt und ist unmittelbar anschließend an eine oder mehrere dazwischen liegende Öffnungen angeordnet. So bewirkt eine Bewegung der Membran die Verschiebung des Ventilelements und entweder ein Öffnen oder Schließen jeder Öffnung. Jede Öffnung ist fluidisch mit Durchgängen verbunden, die als Eingangs- und Ausgangskanal für das Ventil dienen, und jede Öffnung umfasst einen Ventilsitz. Bei einigen Ausführungsformen ist der Ventilsitz als Teil des Ventilelements ausgebildet; bei anderen Ausführungsformen ist er als Teil der Ventilöffnung ausgebildet. Bei einigen Ausführungsformen hat der Ventilsitz eine nachgebende Dichtfläche, um eine verstärkte Dichtwirkung vorzusehen. Bei einigen Ausführungsformen ist an der/den Oberfläche(n), die der/den nachgebenden Dichtfläche(n) gegenüberliegt/gegenüberliegen, eine Rippe ausgebildet, wodurch ein relativ schmaler Rand vorgesehen wird, um die nachgebende Dichtfläche beim Schließen der Öffnung zusammenzudrücken. Auf diese Weise können Ausführungsformen mit nachgebenden Dichtflächen geringere Leckraten haben als Ausführungsformen ohne derartige Flächen. Bei einigen Ausführungsformen wird zur Beaufschlagung des Ventilelements mit einer Kraft eine Feder oder eine andere Vorrichtung als kraftbeaufschlagende Vorrichtung eingesetzt. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Ventil als Öffnungsventil konfiguriert und bei anderen Ausführungsformen ist das Ventil als Schließventil konfiguriert. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Flächen, die mit dem durch das Ventil gesteuerten fluidischen Materialien in Kontakt gelangen, mit einem inerten Material beschichtet. Auf diese Weise stellt man Ventile zur Steuerung des Durchsatzes von ätzenden und/oder ultrareinen Fluiden her.

Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Abfühlvorrichtungen in die Ventile integriert. Bei einigen Ausführungsformen sind diese Abfühlvorrichtungen Strömungssensoren, während bei anderen Ausführungsformen diese Abfühlvorrichtungen Drucksensoren sind. Somit lässt sich mit diesen Ventilen eine dynamische Steuerung von Durchsatz oder Druck bewerkstelligen, wenn die Ventile gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zusätzlich integrierte Abfühlvorrichtungen haben, um eine dynamische Rückkopplung zur Energieeingangsquelle der Energieumwandlungsvorrichtung zu liefern.

Die vorliegende Erfindung und ihre zahlreichen, dem Fachmann offenbarten Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden durch Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen verständlicher. Zur Erleichterung des Verständnisses und der Einfachheit halber wird eine einheitliche Nummerierung von Elementen in den Darstellungen verwendet, wenn ein Element von einer Darstellung zur nächsten im Wesentlichen unverändert ist.

1 ist eine vereinfachte Querschnittsdarstellung eines Fluistor^TM-Mikroventils, wie es im Stand der Technik bekannt ist;

2 ist eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines integrierten, elektrisch bedienbaren Öffnungsventils gemäß der vorliegenden Erfindung;

2A ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 2 abgebildeten Ventils;

3 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Hohlraum- und einer alternativen Heizkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung;

4 ist eine Querschnittsansicht einer anderen alternativen Hohlraum- und Heizkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung;

5A ist eine Draufsicht eines Teils einer alternativen Heizkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung;

5B ist eine Querschnittsansicht einer anderen alternativen Hohlraum- und Heizkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung, in der die Heizkonfiguration von 5A eingesetzt ist;

6 ist eine Draufsicht der Ausführungsform von 2;

7 ist eine Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Ventilelements gemäß der vorliegenden Erfindung;

8A und 8B sind Querschnittsansichten von alternativen Konfigurationen gemäß der vorliegenden Erfindung mit dazwischen liegender Öffnung;

9 ist eine Querschnittsansicht einer anderen alternativen Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung mit dazwischen liegender Öffnung;

10 ist eine Querschnittsansicht von noch einer anderen alternativen Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung mit dazwischen liegender Öffnung; und

11 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Öffnungsventils gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer optionalen kraftliefernden Vorrichtung.

Nun werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die oben erwähnten Figuren beschrieben. Diese Zeichnungen sind nur zur Erleichterung des Verständnisses und der Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vereinfacht. Bei der Beschreibung dieser Ausführungsformen werden sich dem Fachmann verschiedene Modifikationen oder Anpassungen der speziellen Verfahren und/oder Aufbauten eröffnen, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen. Beispielsweise wird bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Ventil mit einer einzigen Ventilöffnung eingesetzt, während bei anderen Ausführungsformen mehrere Ventilöffnungen verwendet werden können.

Einzelheiten von Arbeitsabläufen, die zur Herstellung von Abschnitten von Ausführungsformen von integrierten Ventilaufbauten verwendet werden können, sind dem Durchschnittsfachmann im Allgemeinen bekannt. Darüber hinaus liefern die "Zdeblick"-Patente (US-Patente 4,821,997, 4,824,073 und 4,943,032 sowie 4,966,646) Beschreibungen zur Verarbeitung. So sind hier nur einige Einzelheiten der Verarbeitung beschrieben, die als nicht sofort offensichtlich angesehen werden.

Mit Bezug auf die 2 ist eine vereinfachte Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines integrierten, elektrisch bedienbaren Öffnungsventils 50 gezeigt, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Wie für das Fluistor^TM-Ventil der 1 beschrieben wurde, ist das Ventil 50 unter Verwendung einer/eines oberen, mittleren und unteren Ebene oder Blockstücks 16, 14 bzw. 12 gebildet. Eine im Wesentlichen flache obere Ebene 16 wird dazu verwendet, um eine Wand eines verschlossenen Hohlraums 100 zu bilden. Ein Heizwiderstandselement 120 ist an der Ebene 16 befestigt und in dem Hohlraum 100 angeordnet. Eine andere Wand des Hohlraums 100 wird hergestellt, indem aus einem Abschnitt der mittleren Ebene 14 eine flexible Membran 200 gebildet wird. Der verschlossene Hohlraum 100 ist mit einem Arbeitsfluid 130 (durch gewundene Linien dargestellt) gefüllt, bei dem es sich typischerweise um ein dielektrisches Material handelt, zum Beispiel einen Fluorkohlenwasserstoff, das sich bei Erwärmung ausdehnt und bei Abkühlung zusammenzieht. So dehnt sich also bei Zufuhr von elektrischer Energie zu den Heizelementen 120 und Erwärmung des Arbeitsfluids 130 das Fluid 130 aus und bewirkt, dass sich die Membran 200 nach außen biegt oder auslenkt.

Zusätzlich zur Bildung einer Wand des Hohlraums 100 ist die flexible Membran 200 auch angrenzend an ein Ventilelement bzw. Ventilteil 300 angeordnet. Die Membran 200 ist über einen Sockel 210 an einem Verbindungspunkt 310 mit dem Ventilteil 300 mechanisch verbunden. Diese Verbindung der flexiblen Membran 200 mit dem Ventilteil 300 sorgt vorteilhaft für eine Übertragung der Bewegung der Membran 200 auf das Ventilteil 300.

Eine dazwischen liegende Öffnung bzw. Ventilöffnung 400 ist zwischen einem ventilseitigen Abschnitt 220 der flexiblen Membran 200 und einem Ventilöffnungsabschnitt 230 der mittleren Ebene 14 gebildet. Die Abschnitte 220 und 230 bestimmen die Größe und Form der Öffnung 400 und sehen auch einen Umfangsdichtungsbereich 450 um die Öffnung 400 herum vor, wie in der in der 2A abgebildeten, vergrößerten Ansicht der Öffnung 400, der Membran 200 und des Elements 300 der 2 angegeben ist. Einige Ausführungsformen der Ventilöffnung 400 weisen einen Ventilsitzbereich 410 auf, der im Ventilelement 300 ausgebildet ist. Bei anderen Ausführungsformen ist ein Ventilsitzbereich (nicht gezeigt) in einen Umfangsdichtungsbereich 450 eingeformt. Bei der Ausführungsform der 2 und der 2A befinden sich bei abgeschaltetem Ventil 50 der Umfangsdichtungsbereich 450 und das Ventilelement 300 in innigem Kontakt; die Öffnung 400 ist somit geschlossen bzw. das Element 300 sitzt auf. Diese Art von Ventil 50 wird als Öffnungsventil bezeichnet. Bei anderen Ausführungsformen sind bei abgeschaltetem Ventil 50 der Umfangsdichtungsbereich 450 und das Ventilelement 300 voneinander beabstandet (nicht gezeigt); die Öffnung 400 ist somit geöffnet. Diese Art Ventil bezeichnet man als Schließventil.

In der unteren Ebene 12 sind eine Auslassöffnung 510 und eine Einlassöffnung 520 ausgebildet. Die Auslassöffnung 510 ist über einen Auslasskanal 240 fluidisch mit der Ventilöffnung 400 verbunden. Die Einlassöffnung 520 ist über Einlasskanäle 540 und 250 fluidisch mit der Öffnung 400 verbunden. Somit ist bei geschlossener Öffnung 400 der Einlass 520 vom Auslass 510 isoliert. Wenn jedoch das Fluid 130 erwärmt wird, dehnt es sich aus und lenkt die flexible Membran 200 aus bzw. bewegt diese. Diese Bewegung lässt die Membran 200 durch den Sockel 210 auf das Element 300 drücken, und das Ventilelement 300 wird vom Ventilsitzbereich 410 weggedreht bzw. wegbewegt. So wird die Ventilöffnung 400 geöffnet. Auf diese Weise wird die Auslassöffnung 510 über die Kanäle 240, 250 und 540 mit der Einlassöffnung 520 in fluidische Verbindung gebracht.

Nach der Beschreibung der verschiedenen Abschnitte des Ventils 50 wird ersichtlich, dass sie mehrere einzelne Funktionsblöcke bilden. So wandelt ein Energieumwandlungsblock durch Erwärmen des Arbeitsfluids 130 elektrische Energie in mechanische Energie um, wodurch die Membran 200 ausgelenkt wird.

Ein dazwischen liegender Ventilblock ist mit dieser mechanischen Energie über ein Stellglied verbunden, wodurch eine Bewegung verursacht wird, die zum Öffnen und/oder Schließen einer Ventilöffnung verwendet wird. Schließlich ist ein Fluidverbindungs- und Fluidführungsblock mit der dazwischen liegenden Öffnung verbunden, um eine fluidische Verbindung innerhalb des Aufbaus vorzusehen. Wie man aus der 2 hervorgeht, können diese Funktionsblöcke aus einer oder mehreren Ebenen 12, 14 und 16 hergestellt sein. So weist die in der 2 abgebildete Ausführungsform einen Energieumwandlungsblock auf, der Abschnitte der oberen Ebene 16 und der mittleren Ebene 14 umfasst. In ähnlicher Weise umfasst der Fluidverbindungsblock Abschnitte von allen drei Ebenen.

Unter erneuerter Bezugnahme auf die 2 kann man sehen, dass die flexible Membran 200 sowohl ausreichend dünn sein sollte, um biegbar zu sein, und genügend dick sein sollte, um eine ausreichende Festigkeit zu haben, so dass sie nicht unter den Kräften zerbricht, die normalerweise während des Betriebs des Ventils 50 auftreten. Darüber hinaus bildet die flexible Membran 200 einen Teil sowohl von dem verschlossenen Hohlraum 100 als auch dem Kanal 250. So steht also die Membran 200 sowohl mit dem Arbeitsfluid 130 als auch mit jedem fluidischen Material in Verbindung, das von dem Ventil 50 gesteuert wird. Diese Abschnitte der Membran 200, die sich mit dem gesteuerten fluidischen Material in Kontakt befinden, werden üblicherweise als "benetzte Oberflächen" bezeichnet. Bei der Ausführungsform der 2 ist die Membran 200 aus der mittleren Ebene 14 gebildet, und man kann sehen, dass verschiedene andere Teile der Ebene 14 mit Teilen von sowohl der Ebene 12 als auch der Ebene 16 verbunden sind. Daher sind bei einer Auswahl des Materials für die Ebene 14 unter anderem diese Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit, Flexibilität und Kompatibilität der Membran 200, sowie die Verbindung bzw. Verklebung der Ebene 14 mit Materialien, die für die Ebene 12 und 16 ausgewählt sind, zu berücksichtigen. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, für die Ebene 14 ein Siliziummaterial auszuwählen, obwohl auch andere geeignete Materialien ausgewählt werden können.

Das Ventilelement 300 wird typischerweise getrennt von der Herstellung von Abschnitten des Ventils hergestellt, die aus den Ebenen 14 oder 16 bestehen, und werden, mechanisch mit dem Sockel 210 verbunden, an die Ventilöffnung 400 angrenzend angebracht. Wie für die Ebene 14 beschrieben ist, hat auch das Element 300 "benetzte Oberflächen" und benötigt eine ausreichende Festigkeit, um die Ventilöffnung 400 zu verschließen. Darüber hinaus stellt bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Ventilelement 300 auch einen Teil bzw. die ganze Rückstellkraft bereit, die der durch die flexible Membran 200 verursachten Bewegung entgegenarbeitet. Wie ersichtlich ist, sollte also das Material des Elements 300 in der Lage sein, diese Rückstellkraft aufzubringen. Während man sieht, dass die Form des Ventilelements 300 von der in der 2 abgebildeten, im Wesentlichen ebenen Form abweichen kann, hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, das Element 300 aus einem Siliziummaterial herzustellen, und zwar wegen dessen Kompatibilität mit der Ebene 14 und der Verfügbarkeit von Mikromaterialbearbeitungsverfahren für Silizium.

In der Ausführungsform der 2 wird die untere Ebene 12 dazu verwendet, um die Auslass- und Einlassöffnung 510 bzw. 520, und den Kanal 540 zum Teil oder vollständig zu bilden. So hat, wie für Ebene 14 beschrieben, die Ebene 12 "benetzte Oberflächen", und das Material der Ebene 12 sollte mit dem fluidischen Material kompatibel sein, das vom Ventil 50 gesteuert wird. Die Ebene 12 dient auch als Anbringungsaufbau für andere Abschnitte des Ventils 50 sowie zur Verbindung des Ventils 50 mit den Systemen, in denen es verwendet werden kann. Für derartige Befestigungsfunktionen sollte die Ebene 12 somit ausreichend stark und abnutzungsfest sein. Darüber hinaus wird bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung (nicht gezeigt), die eine zusätzliche Kraft zur Verfügung stellt, verwendet, um das Ventilelement 300 mit einer Kraft zu beaufschlagen. Wenn solche kraftliefernden Vorrichtungen verwendet werden, werden sie oftmals unter Verwendung der Ebene 12 angebracht. Während festgestellt wurde, dass ein Siliziummaterial die für die Ebene 12 erforderlichen Eigenschaften in vorteilhafter Weise zur Verfügung stellt, können auch andere geeignete Materialien ausgewählt werden. Beispielsweise werden bei einigen Ausführungsformen verschiedene Keramikmaterialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid, verwendet und bei anderen Ausführungsformen kommt ein Borsilikat-Glas oder Quarzmaterial zum Einsatz.

Bei der Ausführungsform der 2 dient die Ebene 16 zur Halterung und Positionierung der Heizelemente 120 und zur Bildung des verschlossenen Hohlraums 100. Darüber hinaus dient sie dazu, einen Abschnitt des Kanals 240 zu bilden und hat somit zu einem gewissen Teil eine "benetzte Oberfläche". Es wird davon ausgegangen, dass dort, wo die Elemente 120 das Arbeitsfluid 130 nur erwärmen können, das Kühlen des Fluids 130 zu einem großen Teil durch seinen Kontakt mit der Ebene 16 vonstatten geht. So wird bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für die Ebene 16 ein Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit ausgewählt. Dort, wo jedoch die Heizelemente 120 Heizwiderstandselemente sind, ist das Material der Ebene 16 typischerweise ein dielektrisches Material, um einen Kurzschluss der Elemente 120 zu verhindern. Bei einigen Ausführungsformen wird das Arbeitsfluid 130 unter Verwendung einer Strahlungsenergie erwärmt, die von einer entfernten Quelle bereitgestellt wird. Bei solchen Ausführungsformen wählt man für die Ebene 16 ein Material aus, das für diese Strahlungsenergie durchlässig ist. Die Ebene 16 kann daher eine Vielzahl von Materialien umfassen, einschließlich Quarz, Borsilikat-Glas, Keramik, Saphir, Silizium oder Kunststoff (aber nicht auf diese beschränkt). Es wird also davon ausgegangen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine ganze Reihe von Materialien umfassen, die man für das Ventilelement 300 und jede der Ebenen 12, 14 und 16 auswählen kann, und dass die Auswahl eines bestimmten Materials für das Element 300 oder für eine bestimmte Ebene eine Sache der technischen Auslegung ist, bei der eine ganze Reihe von Faktoren berücksichtigt werden, wie sie hier erläutert sind. Es wird weiterhin davon ausgegangen, dass jede derartige durch die Konstruktion bestimmte Auswahl innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt.

Wie weiter oben erwähnt ist, besitzt die Membran 200 sowohl Flexibilität als auch Festigkeit. Jedoch kann ein optimaler Ausgleich von Flexibilität und Festigkeit einer bestimmten Membran 200 für jede bestimmte Anwendung anders sein. So kann bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Flexibilität ein Hauptbelang sein, während bei anderen die Festigkeit wichtiger als die Flexibilität sein kann. Während das für die Ebene 14 ausgewählte Material ein wichtiger Faktor für die Festigkeit und Flexibilität der Membran 200 ist, wird die Ausgewogenheit dieser beiden Eigenschaften auch erreicht, indem man die Dicke und Form der flexiblen Membran 200 verändert. So beträgt eine typische Dicke für die Membran 200 ungefähr 50 &mgr;m (Mikron), wenn die Ebene 14 ein [100]-Silizium ist. Die Membran 200 kann aber auch dicker oder dünner sein, und ein Dickenbereich von ungefähr 10 bis 100 &mgr;m hat sich als vorteilhaft erwiesen. Darüber hinaus ist festgestellt worden, dass ein Verändern der Form bzw. des Querschnittsprofils der Membran 200 das Gleichgewicht zwischen der Flexibilität und Festigkeit der Membran 200 beeinflussen kann. Daher ist, während einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung flexible Membranen 200 mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Dicke haben, bei anderen Ausführungsformen die Membran 200 nicht von gleichförmiger Dicke. Bei einigen Ausführungsformen hat die Membran 200 zum Beispiel ein gestuftes Querschnittsprofil von veränderlicher Dicke.

Bei anderen Ausführungsformen ist die Membran 200 mit einer allmählichen Veränderung der Dicke ausgebildet, die vom Rand zur Mitte hin abnimmt. So kann jedes Querschnittsprofil, das dazu ausgelegt ist, die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen, verwendet werden, um die richtige Ausgewogenheit zwischen der Flexibilität und der Festigkeit für eine bestimmte Anwendung des Ventils 50 zur Verfügung zu stellen.

Verschiedene Verfahren zur Herstellung der einzelnen Aufbauten, die das wie in der 2 abgebildete Ventil 50 bilden, sind bekannt. Diese Verfahren gehen aber über den Umfang der vorliegenden Erfindung hinaus; es sind nur Beispiele von Verfahren offenbart. So können beispielsweise die in den "Zdeblick"-Patenten beschriebenen Herstellungsverfahren angewendet werden, um die Aufbauten des Ventils 50 zu bilden. Darüber hinaus können auch andere Herstellungsverfahren wie EDM (Funkenerosionsbearbeitung), elektrochemisches Ätzen, Sandstrahlen, Spritzgießen, Prägen, LIGA und Diamantbearbeitung verwendet werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Realisierung der Vorteile der vorliegenden Erfindung nicht von dem verwendeten Herstellungsverfahren abhängt. Und somit können ein oder alle der oben erwähnten oder in den "Zdeblick"-Patenten beschriebenen Verfahren angewendet werden, um die hier beschriebenen Aufbauten auszubilden.

Mit einem weiteren Bezug auf die 2 ist ein Hohlraum 100 abgebildet, der mit dem Arbeitsfluid 130 gefüllt ist. Ein Kriterium für die Auswahl des Arbeitsfluids 130 ist sein Ausdehnungskoeffizient.

Wenn also das Arbeitsfluid 130 einen großen Koeffizienten aufweist, wird der Bereich der Bewegung, den es in der Membran 200 induziert, über irgendeinen vorgesehenen Betriebstemperaturbereich umso größer sein. Wie oben erwähnt ist, verhält sich das Fluid 130 zu den Materialien des Hohlraums 100 chemisch inert. Materialien, die chemisch inert zueinander sind, sind als Materialien definiert, die im wesentlichen keine chemischen Reaktionen miteinander eingehen. Außerdem sollte das für das Fluid 130 gewählte Material typischerweise über den Temperaturbereich, der für ein gegebenes Ventil 50 vorgesehen ist, flüssig bleiben, obwohl bei einigen Ausführungsformen ein gewisser Teil des Fluids 130 dampfförmig ist. Es ist festgestellt worden, dass eine breite Palette von Materialien diese Anforderungen erfüllt; so werden Wasser, Äthanol oder andere Alkohole und viele Mitglieder aus der Familie der Fluorkohlenwasserstoffe, zum Beispiel bei einigen Ausführungsformen Materialien, die unter der Marke Fluorinert^® vertrieben werden, für das Arbeitsfluid 130 verwendet.

Obwohl in der 2 nicht gezeigt, wird der Hohlraum 100 typischerweise über eine Einfüllöffnung befüllt, die anschließend mit einem Öffnungsdichtungselement hermetisch verschlossen wird. Bei einigen Ausführungsformen wird der Hohlraum 100 bei der höchsten Umgebungstemperatur, der das Ventil 50 während seines Betriebs wahrscheinlich ausgesetzt sein wird, mit Fluid 130 gefüllt und verschlossen. Bei anderen Ausführungsformen wird der Hohlraum 100 bei dem höchsten Druck, dem das Ventil 50 während seines Betriebs ausgesetzt sein wird, mit Fluid 130 gefüllt und verschlossen. Und bei einigen Ausführungsformen wird eine Kombination aus einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck angewendet. Auf diese Weise erhält man für die flexible Membran 200 die maximale Bewegung.

Bei einigen Ausführungsformen wird das Ventil 50 für ultrareine Verfahren hergestellt, wie man sie für gewöhnlich beispielsweise in der Halbleiter- oder in der pharmazeutischen Industrie antrifft. Wie oben angeführt ist, haben bei der in der 2 abgebildeten Ausführungsform Abschnitte des Ventilelements 300, und zwar die obere Ebene 16, die mittlere Ebene 14 und die untere Ebene 12, "benetzte Oberflächen", die mit dem vom Ventil 50 gesteuerten fluidischen Material in Kontakt stehen. Um bei solchen ultrareinen Prozessen die Kompatibilität zu gewährleisten, sind bestimmte Ausführungsformen des Ventils 50 vorteilhafterweise so hergestellt, dass ihre "benetzten Oberflächen" aus einem bzw. mehreren Materialien bestehen oder damit beschichtet sind, die mit einem bestimmten Prozess kompatibel sind. So eignen sich für Anwendungen in der pharmazeutischen Industrie "benetzte Oberflächen", die mit einem Teflon^®-Material beschichtet sind. Während auch in einigen Anwendungen in der Halbleiterindustrie solche mit Teflon^® beschichteten Oberflächen eingesetzt werden können, kann das Ventil 50 auch so hergestellt sein, dass seine "benetzten Oberflächen" mit Chrom, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder diamantartigem Kohlenstoff beschichtet sind, um in Umgebungen bestehen zu können, für die sich Teflon^® nicht eignet. So kann eine Familie von Ventilen, die einander im Aufbau ähnlich sind, mit "benetzten Oberflächen" hergestellt werden, die für eine bestimmte Kompatibilität für eine bestimmte Anwendung mit verschiedenen Materialien beschichtet sind. Darüber hinaus sollte, wenn das Ventil 50 aus einer oder mehreren Ebenen bzw. Blockstücken gefertigt wird, die Auswahl eines Materials für die "benetzten Oberflächen" kompatibel sein mit allen Verbindungsverfahren, die zur Verbindung der Ebenen untereinander verwendet werden. Wenn beispielsweise ein anodisches Fügen bzw. Kleben verwendet wird, um eine Siliziumebene 14 mit einer Borsilikatebene 16 zu verbinden, deren "benetzte Oberflächen" mit einer Chromsperrschicht (nicht gezeigt) beschichtet sind, sollte das Chrom von den Verbindungsflächen der Ebene 16 entfernt werden, um eine Verklebung und wirksame Verbindung zu erhalten. Es können aber auch andere Klebevorgänge verwendet werden, zum Beispiel unter Einsatz von Epoxydharzen mit niedrigem Ionengehalt, verschmelzbaren Glassorten und dergleichen.

Die Heizwiderstände 120 können unter Verwendung jedes der für gewöhnlich verwendeten Widerstandsmaterialien gebildet werden, die mit dem bestimmten ausgewählten Klebevorgang kompatibel sind. Wenn zum Beispiel ein anodischer Prozess für das Verkleben einer oberen Ebene bzw. oberen Blockstücks 16 aus Borsilikat-Glas mit einem mittleren Blockstück 14 aus Silizium verwendet wird, hat es sich als wünschenswert herausgestellt, die Heizelemente 120 unter Verwendung einer ersten Schicht aus Titan auszubilden, um für eine Anhaftung am Blockstück 16 zu sorgen, gefolgt von einer Schicht aus Platin, die das Widerstandselement bildet. Es können auch andere Arten von Widerstandselementen verwendet werden. So kann bei einigen Ausführungsformen ein Widerstandsmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) verwendet werden. Bekanntlich nimmt der Widerstand von solchen PTC-Materialien zu, wenn die Temperatur des Arbeitsfluids 130 ansteigt, wodurch vorteilhafterweise der Stromverbrauch verringert und eine Übertemperatur der Elemente 120 begrenzt wird. Ein Beispiel für solch ein PTC-Material ist BaTiO₂ (Bariumtitanat). Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden viele einzeln angesteuerte Heizelemente 120 verwendet. Zum Beispiel hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass ein erstes Heizelement dazu verwendet werden kann, eine konstante Hintergrundtemperatur bereitzustellen, und ein zweites Heizelement dazu verwendet werden kann, um die Temperatursprünge bereitzustellen, die zum Ausdehnen des Arbeitsfluids 300 verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen sind sowohl das erste als auch das zweite Heizelement von derselben Bauart, zum Beispiel PTC-Elemente, während bei anderen Ausführungsformen eine Kombination aus Heizvorrichtungen und, wie noch unten beschrieben wird, Kühlvorrichtungen verwendet werden kann.

Wie oben erwähnt ist, sind die Heizelemente 120 ein Teil eines Energieumwandlungsblocks, der in der in 2 gezeigten Ausführungsform elektrische Energie in Wärme und diese Wärme in eine mechanische Bewegung umwandelt. Mit Bezug auf die 3 wird eine alternative Ausführungsform dieses Energieumwandlungsblocks abgebildet. Zur Erleichterung des Verständnisses sind nur diejenigen Abschnitte der oberen Ebene 16 und der mittleren Ebene 14 gezeigt, die notwendig sind, um die Ausführungsform der 3 zu beschreiben. wie ersichtlich ist, weist der Hohlraum 100 einen ersten Abschnitt 104 und angrenzend an die flexible Membran 205 einen zweiten Abschnitt 106 auf. Wie veranschaulicht ist, ist der erste Abschnitt 104 kleiner als der zweite Abschnitt 106 und hat ein einsetzbares Heizelement 140, das durch die Öffnung 150 eingesetzt ist. Die Öffnung 150 ist mit einem Dichtungselement 160 dicht verschlossen, um das Heizelement 140 in Position zu halten und den Hohlraum 100 hermetisch zu verschließen.

Während die Ausführungsform der 3 den Hohlraum 100 mit zwei Abschnitten zeigt, kann bei anderen Ausführungsformen der Hohlraum 100 einen einzigen Abschnitt aufweisen, wie in der 2 dargestellt ist. Es ist jedoch festgestellt worden, dass es vorteilhaft ist, wenn ein einsetzbares Heizelement 140 verwendet wird, einen zweigeteilten Hohlraum 100 zu verwenden, bei dem der erste Abschnitt 104 ein kleiner Heizabschnitt 104 ist. Auf diese Weise wird das Fluid 130 in dem Abschnitt 104 unter einer sehr hohen Geschwindigkeit erwärmt, wodurch sich das Fluid 130 schnell ausdehnt. Das sich ausdehnende Fluid 130 aus dem Heizabschnitt 104 drückt dann durch den Kanal 108 in den Abschnitt 106, wobei das Volumen des Fluids 130 im Abschnitt 106 größer wird und dadurch die flexible Membran 205 ausgelenkt wird. Diese im Wesentlichen hydraulische Wirkung führt somit vorteilhafterweise zu einer schnellen, steuerbaren Bewegung der Membran 205.

Das Heizelement 140 ist mit zwei Leitern 142 gezeigt, die durch die Dichtungsöffnung 150 hindurchgehen, um in dem Abschnitt 104 mit mehreren Schleifen 144 zu enden. Es wird davon ausgegangen, dass viele Konfigurationen des Heizelements 140 möglich sind und dass die abgebildete Konfiguration nur zu Darstellungszwecken verwendet ist. Es wird außerdem davon ausgegangen, dass für den Teil des Elements 140 viele verschiedene Materialien verwendet werden können. Zum Beispiel können die Leiter 142 aus einem ersten Material mit einem geringen spezifischen Widerstand und die Schleifen 144 aus einem zweiten Material mit einem hohen spezifischen Widerstand sein, oder es kann für beide dasselbe Material verwendet werden. Die Leiter 142 können in einer Halterungsstruktur (nicht gezeigt) oder wie abgebildet angebracht sein, und das Dichtungselement 160 kann als Halterungsstruktur verwendet werden. Außerdem können eine Vielzahl von Materialien mit verschiedenen Heizkennlinien oder verschiedenem Heizvermögen verwendet werden, um die Schleifen 144 zu bilden. Darüber hinaus kann eine Konfiguration verwendet werden, die anders als in Form von Schleifen 144 ist, um zum Erwärmen des Fluids 130 im Abschnitt 104 einen bestimmten Oberflächenbetrag bereitzustellen. So wird bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein einsetzbares Heizelement 140 verwendet, das eine Temperatur liefert, die höher als der Siedepunkt des bestimmten verwendeten Fluids 130 ist. Auf diese Weise werden durch punktförmiges Verdampfen des Fluids 130 Blasen erzeugt. Es ist festgestellt worden, dass bei einigen Anwendungen durch die Bildung von solchen Blasen die Steuerung der Auslenkung einer bestimmten flexiblen Membran 205 oder 200 (2) vorteilhafterweise verbessert wird. Somit lässt sich also eine beliebige Anzahl gleicher Ventile 50 en gros herstellen und durch Auswahl von verschiedenen einsetzbaren Heizelementen 140 für jedes Ventil 50 kann man Ventile bereitstellen, die sich für verschiedene Anwendungen eignen.

Mit Bezug auf die 4 ist nun eine andere alternative Heiz- und Hohlraumkonfiguration gezeigt. Anders als die Ausführungsform der 2 weist die Ausführungsform der 4 eine obere Ebene 16, die mit Verlängerungen 170 ausgebildet ist, auf, wobei an einem Ende 176 jeder Verlängerung 170 Heizelemente oder Heizverstärkungen 174 angeformt sind. Auf diese Weise bringt man den durch die Elemente 174 hervorgerufenen Heizeffekt näher zur flexiblen Membran 200 an einen zentralen Teil des Hohlraums 100 heran, und es ergibt sich ein gleichmäßigeres Erwärmen des Fluids 130. So erhält man eine effiziente Umwandlung der Energie, die zum Erwärmen des Fluids 130 verwendet wird, in eine mechanische Bewegung der Membran 200. Außerdem dienen die Verlängerungen 170 dazu, den Oberflächenbereich der Ebene 16 zu erhöhen, der in Kontakt mit dem Arbeitsfluid 130 steht. Auf diese Weise ist eine Kühlung des Fluids 130 durch Wärmeabstrahlung über die Ebene 16 verstärkt. Für den Fall, dass die Ebene 16 Verlängerungen 170 hat, wird typischerweise ein Siliziummaterial für die Ebene 16 und die Verlängerungen 170 ausgewählt, die unter Verwendung von beispielsweise Verfahren der Silizium-Mikromaterialbearbeitung gebildet werden. Es können jedoch auch andere geeignete Materialien und Herstellungsverfahren für die Verlängerungen 170 eingesetzt werden, beispielsweise können die Verlängerungen 170 unabhängig gebildet und im Hohlraum 100 befestigt werden. Die Heizelemente oder Heizverstärkungen 174 können einen ähnlichen Aufbau haben wie die zuvor beschriebenen Heizelemente 120 (2). Alternativ dazu können die Elemente 174 dotierte Siliziumzonen sein, die mittels Diffusions- oder Ionenimplantationsverfahren gebildet sind, welche dem Durchschnittsfachmann geläufig sind. Darüber hinaus kann die Länge und Form der Verlängerungen 170 verändert werden, um die Elemente 174 an eine optimale Stelle zu setzen und/oder um den für das Kühlfluid 130 verfügbaren Oberflächenbereich zu verändern.

In der 5A ist eine Draufsicht eines Abschnitts von noch einer anderen Ausführungsform eines alternativen Energieumwandlungsblocks veranschaulicht. Es wird eine Heizebene 180 gezeigt, die drei Heizelementen 182 aufweist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Heizebene 180 ein [111]-Siliziummaterial, um aus einem vorzugsweisen Ätzen entlang der Kristallebenen einen Vorteil zu ziehen. So sind die Heizelemente 182 gebildet, indem die Ebene 180 von gegenüberliegenden Seiten her geätzt wird, um in den Bereichen 184 das ganze Silizium zu entfernen, so dass Siliziumverbindungsbereiche 186 zur mechanischen und elektrischen Verbindung übrig bleiben und die abgebildeten, im Wesentlichen hexagonal geformten Elemente bilden. Es sind jedoch auch andere Formen für die Heizelemente 182 möglich, und es können auch andere Verfahren zur Ausbildung dieser anderen Formen eingesetzt werden, wie beispielsweise diejenigen, die zur Ausbildung anderer Abschnitte des Ventils 50 beschrieben wurden.

Mit Bezug auf die 5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' einer alternativen Hohlraum- und Heizkonfiguration gezeigt, welche die Ebene 180 umfasst. Der Hohlraum 100 ist mit einer Heizebene 180 zwischen der oberen Ebene 16 und der mittleren Ebene 14 ausgebildet. Durch den Einsatz der Heizebene 180 auf diese Weise werden Heizelemente 182 innerhalb des Hohlraums 100 so angeordnet, dass sie eine beträchtliche Heizoberfläche über im Wesentlichen den gesamten Hohlraum 100 bieten. Auf diese Weise wird das Arbeitsfluid 130 schnell erwärmt, und durch die Expansion des Fluids 130 wird die flexible Membran 200 ausgelenkt.

Es wird davon ausgegangen, dass die Ausführungsformen der 2 bis 5B nur die verschiedenen Arten von Heizelementen darstellen, die von der vorliegenden Erfindung umfasst sind. Somit stellt der Ersatz der abgebildeten Heizelemente durch andere Arten oder Konfigurationen von bekannten Heizelementen eine Modifizierung im Bereich der konstruktiven Freiheit dar, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Zum Beispiel wird bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Erwärmen durch Elemente (nicht gezeigt) vorgesehen, die außerhalb des Hohlraums 100 angebracht sind und sich nicht in direktem Kontakt mit dem Fluid 130 befinden, beispielsweise an der Fläche 110 (2) der Ebene 16 über dem Hohlraum 100. Außerdem sind, während sich die beispielhaften Ausführungsformen der 2 bis 5B nur auf Heizelemente beziehen, andere Konfigurationen möglich. Zum Beispiel sorgen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise sowohl für ein positives Erwärmen als auch ein positives Kühlen des Fluids 130. Beispielsweise kann eine Ausführungsform, die sowohl die Fähigkeit zur positiven Erwärmung als auch positiven Kühlung hat, gebildet werden, indem eine Peltier-Wärmepumpe an der Fläche 110 über dem Hohlraum 100 angebracht wird. Auf diese Weise lässt sich die Kühlung verstärken.

Das Ventilelement 300 ist ein Abschnitt des dazwischen liegenden Ventilblocks, der in der in der 2 abgebildeten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Ventilöffnung 400 abdichtet. Nun ist mit Bezug auf 6 eine Draufsicht des Elements 300 gezeigt, und zwar mit Blick auf die untere Ebene 12 durch die Ebene 14. Die Schnittlinie C-C' gibt die Position der in der 2 wiedergegebenen Ansicht an. Weil das untere Ventilelement 300 und Teilbereiche der Ebene 12 Abschnitte der mittleren Ebene 14 und Strukturen, die mittels der Ebene 14 gebildet sind, verdecken, sind diese verdeckten Aufbauten, wenn benannt, unter Verwendung von gestrichelten Linien gezeigt. Das Ventilelement 300 mit einer im wesentlichen rechteckigen Form ist so angeordnet, dass es über einem Abschnitt der flexiblen Membran 200 liegt. Wahlweise können am Element 300 Planaritätspfosten 304 zwischen den Ebenen 14 und 12 gebildet und angeordnet sein, um die Planarität zwischen dem Element 300 und der Ebene 14 zu verbessern. Ein kleiner, durch die Einlassöffnung 520 sichtbarer Abschnitt der flexiblen Membran 200 ist in durchgezogenen Linien gezeigt. Die Auslassöffnung 510 ist in der Ebene 12 ausgebildet gezeigt und ist durch den Kanal 240 fluidisch mit der dazwischen liegenden Öffnung 400 verbunden. Das Element 300 ist am Sockel 210 so angebracht, dass durch eine Auslenkung der Membran 200 der Sockel 210 auf das Element 300 drückt und die Öffnung 400 freigibt, oder am Element 300 zieht, um die Öffnung 400 zu schließen.

Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden alternative Konfigurationen des Ventilelements 300 verwendet, um die Leistungsfähigkeit des Ventils 50 auf bestimmte Anwendungen besser zuschneiden zu können. In der 7 ist eine alternative Ausführungsform des Ventilelements 300 (2) gezeigt, die durch eine Modifizierung des Ventilelements eine zusätzliche Schließkraft für das Ventil bereitstellt. So ist das Ventilelement 340 mit Balken 344 gezeigt, die an entgegengesetzten Seiten ausgebildet sind. Jeder Balken 344 hat ein freies Ende 346, das fest an einem nicht bewegbaren Abschnitt des Ventils 50 angebracht ist. Die Anbringung an der Ebene 14 kann beispielsweise angrenzend an die flexible Membran 200 oder angrenzend an einen Abschnitt der Ebene 12 (2) vorgesehen sein. Wenn also das Element 340 aus seiner Ruheposition ausgelenkt wird, wird in jedem Balken 344 eine Rückstellkraft erzeugt. Da der Betrag dieser Kraft mit zunehmender Auslenkung des Elements 340 größer wird, wird der Betrag der verfügbaren Kraft durch eine Veränderung der Länge, Breite, Position und Form der Balken 344 gesteuert.

Eine andere alternative Konfiguration des Ventilelements 300 ist in der 8A gezeigt. Zur Erleichterung des Verständnisses ist nur der Bereich um die Öffnung 400 herum gezeigt. Der Ventilsitzbereich 410 ist im Ventilelement 300 unter Verwendung eines nachgebenden Materials 420 ausgebildet. Das bestimmte, ausgewählte nachgebende Material 420 kann für jede bestimmte Anwendung anders sein. So ist bei einigen Anwendungen das Material 420 ein Kunststoffmaterial, bei anderen Anwendungen ein Fluorkohlenwasserstoff und bei noch anderen kann ein Metallmaterial verwendet werden. Das Material 420 kann ein geformtes Material mit einem oder mehreren erhabenen Abschnitten 425 sein, wie gezeigt ist, oder es können auf den Dichtflächen der Abschnitte 220 und 230 Rippen (nicht gezeigt) ausgebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen werden sowohl Rippen als auch erhabene Abschnitte 425 verwendet. Mit Bezug auf 8B wird nun in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein O-Ring 430 vorteilhafterweise verwendet. Wie dargestellt ist, wird der O-Ring 430 durch Elemente 300 gehalten, um den Ventilsitzbereich 410 zu bilden, beispielsweise unter Verwendung eines zweiteiligen Ventilelements 300 mit einem geformten oberen Abschnitt 302 und einem im Wesentlichen flachen, unteren Abschnitt 304, ähnlich dem in der 8A abgebildeten. Bei anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen kann ein O-Ring durch Nuten gehalten werden, die in den Abschnitten 220 und 230 ausgebildet sind, um einen alternativen Ventilsitzbereich 410 zu bilden. So ist also, wenn die Ventilöffnung 400 entweder gegen das nachgebende Material 420 (8A) oder gegen den nachgebenden O-Ring 430 (8B) geschlossen wird, eine verstärkte Abdichtung der Öffnung 400 zur Verfügung gestellt. Diese verstärkte Dichtwirkung kann in vorteilhafter Weise bei Anwendungen eingesetzt werden, bei denen geringe Leckraten erforderlich sind. Es ist festgestellt worden, dass die Verwendung eines wie in der 8B abgebildeten O-Rings 430, oder die Verwendung eines wie in der 8A abgebildeten nachgebenden Materials mit erhabenen Abschnitten 425 oder irgendeines anderen geeigneten Aufbaus dieser Art zur Ausbildung des Ventilsitzbereichs 410 vorteilhafterweise die Erzielung von Leckraten erlaubt, die von 1 × 10^–6 bis weniger als 1 × 10^–9 cm³-atm/sec Helium reichen.

Es wird nun mit Bezug auf die 9 eine andere alternative Ausführungsform eines Ventilelements gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie veranschaulicht ist, hat die flexible Membran 200 eine Membranverlängerung 220, die sich teilweise durch die Öffnung 400 erstreckt, um an einem kugelförmigen Ventilelement 330 anzuliegen. Das kugelförmige Element 330 ist über einer federartigen Membran 500 liegend angeordnet. Man sieht also, dass bei Auslenkung der Membran 200 das kugelförmige Element 330 durch die Verlängerung 220 und die fluidische Verbindung über die Öffnung 400 außer Kontakt mit dem Ventilsitz 410 gebracht wird. Weil durch die Bewegung des kugelförmigen Elements 330 vom Sitz 410 weg die federartige Membran 500 ausgelenkt wird, wird eine Öffnungs-Schließkraft erzeugt. Diese durch die Membran 500 bereitgestellte Öffnungs-Schließkraft entspricht der Schließkraft des Ventilelements 340, die beispielsweise durch die Balken 344 der 7 bereitgestellt wird. Das kugelförmige Element 330 kann aus einem harten, im Wesentlichen nicht zusammendrückbaren Material gebildet sein, oder das Element 330 kann einen gewissen Grad an Nachgiebigkeit haben. In entsprechender Weise kann der Ventilsitz 410 entweder nachgebend sein oder auch nicht. Für die Ausführungsform der 9 sind viele Konfigurationen (nicht gezeigt) möglich, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen. So kann das Ventilelement 330 eine nicht kugelförmige Form aufweisen, zum Beispiel eine konische oder eine andere geeignete Form, die zum Verschließen der Öffnung 400 verwendet werden kann. Darüber hinaus lassen sich auch niedrige Leckraten erzielen, wenn für das Dichtungselement 330 und den Ventilsitz 410 eine Kombination aus einem harten und einem nachgebenden Material verwendet wird.

Mit Bezug auf die 10 ist nun eine andere Ausführungsform eines Ventilelements und eines Ventilsitzes gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zum Verschließen der dazwischen liegenden Öffnung 400 wird ein Tellerventilelement 360 verwendet. Das Ventilelement 360 hat Vertiefungen 362, die dazu dienen, einen O-Ring 364 oder ein anderes nachgebendes Material zum Verschließen der Öffnung 400 aufzunehmen. Die Öffnung 400 wird verschlossen, indem man den O-Ring 364 in Kontakt mit einem Ventilsitzbereich 414 gelangen lässt, der wie abgebildet um den Umfang der Öffnung 400 herum ausgebildet ist. Die Bewegung des Tellerventilelements 360 wird in einer Weise bewerkstelligt, die derjenigen des in der 9 beschriebenen, kugelförmigen Elements 330 ähnlich ist. So hat die flexible Membran 200 eine Membranverlängerung 224, die einen oberen Abschnitt 368 des Tellerventilelements 360 berührt. Man erkennt, dass die bestimmte abgebildete Konfiguration nur beispielhaften Zwecken dient und dass andere Konfigurationen eines tellerartigen Ventilelements möglich sind. Darüber hinaus sind bei einigen Ausführungsformen, während der O-Ring 364 im Element 360 gehalten abgebildet ist, O-Ringe 364 vom Ventilsitzbereich 414 aufgenommen. Konfigurationen eines Tellerventilelements 360 können auch mit Rückstellkraftvorrichtungen ausgebildet sein, beispielsweise mit einer in der Art der Vorrichtung 500 ( 9) ausgebildeten Vorrichtung. Außerdem lassen sich dort, wo eine Kombination aus einem harten und einem nachgebenden Material für das Tellerelement 360 und den Ventilsitz 414 verwendet wird, auch niedrige Leckraten erzielen.

Wie der Durchschnittsfachmann auf dem technischen Gebiet der Ventile weiß, sind zusätzlich zu den hier gezeigten Beispielen viele Abänderungen von Ventilsitzen und Ventilelementen bekannt. Es wäre also nicht machbar, jede Konfiguration zu beschreiben. Außerdem wird man erkennen, dass hierin beschriebene Verfahren, die durch Bezugnahme auf die "Zdeblick"-Patente sowie andere bekannte Verfahren mit aufgenommen sind, zur Herstellung dieser Konfigurationen von Ventilelementen und Ventilsitzen verwendet werden können. Es wird also davon ausgegangen, dass diese verschiedenen Konfigurationen von nachgebenden und/oder nicht nachgebenden Ventilsitzen und Ventilelementen, die in zahlreichen Kombinationen verwendet werden, im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen sollen.

Wie ersichtlich ist, hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von zusammengedrückten, nachgebenden Materialien das Abdichten der Öffnung 400 verstärkt und niedrigere Leckraten erzielt. Diese verstärkte Fähigkeit zum Verschließen kann aber auch eine Rückstell- oder Schließkraft erforderlich machen, die zur Komprimierung der nachgebenden Materialien aufzubringen ist. Bei der Ausführungsform der 9 wurde zur Bereitstellung dieser Kraft die federartige Membran 500 verwendet. Bei anderen Ausführungsformen sind aber auch andere Vorrichtungen, die eine Kraft zur Verfügung stellen, möglich. Bei einigen Ausführungsformen dienen diese anderen, eine Kraft vorsehenden Vorrichtungen dazu, das Verschließen der dazwischen liegenden Öffnung zu unterstützen, während bei anderen Ausführungsformen Vorrichtungen, die eine Kraft zur Verfügung stellen, so ausgelegt sind, dass ein Öffnen der dazwischen liegenden Öffnung unterstützt wird.

Mit Bezug auf die 11 wird nun eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der eine eine Kraft vorsehende Vorrichtung 610 verwendet wird, um den Betrag der Schließkraft des Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhöhen. Wie ersichtlich ist, entspricht die Ausführungsform der 11 im Wesentlichen der in 2 gezeigten, wobei eine eine Kraft vorsehende Vorrichtung 510 hinzugefügt ist, die zwischen dem Ventilelement 300 und einem Abschnitt der unteren Ebene 12 angeordnet ist. Auf diese Weise wird, wenn der Sockel 210 zum Öffnen der dazwischen liegenden Öffnung 400 gegen das Ventilelement 300 drückt, die eine Kraft vorsehende Vorrichtung 510 zusammengedrückt und durch dieses Zusammendrücken eine Ventilschließkraft bereitgestellt. Während die Vorrichtung 510 in der Art einer Schraubenfeder ausgebildet gezeigt ist, lässt sich feststellen, dass andere Konfigurationen möglich sind. Zum Beispiel kann die eine Kraft vorsehende Vorrichtung 510 kann als Blattfeder, Torsionsstab oder als andere geeignete Vorrichtung ausgebildet sein. Außerdem erlaubt, wie mit Bezug auf die Ausführungsform der 9 beschrieben ist, die Verwendung einer separaten, eine Kraft vorsehenden Vorrichtung, wie beispielsweise der Vorrichtung 500 (9) oder der Vorrichtung 510, eine größere Flexibilität bei der Auslegung der Ventile, um bestimmten Anwendungen gerecht zu werden.

Zusätzlich zu dem Vorsehen einer Ventilschließkraft durch das Zusammendrücken der eine Kraft zur Verfügung stellenden Vorrichtung 510, wie oben beschrieben ist, kann auch eine Ventilöffnungskraft vorgesehen werden. Bei Anwendungen, bei denen der Druck im Kanal 540 viel größer als der Druck im Kanal 240 ist, kann die durch die Membran 200 gelieferte Kraft alleine nicht ausreichend sein, um die dazwischen liegende Öffnung 400 zu öffnen. So wird bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die eine Kraft vorsehende Vorrichtung 510 in einem gespannten Zustand vorgesehen, wenn die Öffnung 400 geschlossen ist. Auf diese Weise stellt die Vorrichtung 510 eine Öffnungskraft bereit, die durch die Bewegung der Membran 200 gesteuert ist.

So weit lässt sich also feststellen, dass eine Vielzahl an Ausführungsformen von integrierten, elektrisch bedienbaren Mikroventilen beschrieben wurde. Es lässt sich weiterhin feststellen, dass diese verschiedenen Ausführungsformen Kombinationen von alternativen Ausführungsformen der Elemente der beschriebenen Mikroventile mit einschließen. So können, wo zusätzlich zur Fähigkeit der Steuerung korrosiver Fluide auch noch niedrige Leckraten erforderlich sind, verschiedene Kombinationen von nachgebenden Materialien für den Ventilsitz, rippenartigen Aufbauten und/oder Vorrichtungen, die eine Kraft zur Verfügung stellen, verwendet werden, wodurch eine breite Palette von Mikroventilen gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird. Darüber hinaus lässt sich feststellen, dass diese Flexibilität zur Auslegung einer bestimmten Ausführungsform eines Mikroventils für eine bestimmte Anwendung unter anderem von der Auslegung der Funktionsblöcke dieser Ausführungsformen abhängt. So bieten, anders als die in den "Zdeblick"-Patenten beschriebenen Ventile aus dem Stand der Technik, Mikroventile gemäß der vorliegenden Erfindung beispielsweise Ausführungsformen mit niedriger Leckrate, bei denen keine Modifikationen an der flexiblen Membran erforderlich sind, weil die flexible Membran nicht zum direkten Verschließen der Ventilöffnung verwendet wird. Andererseits sieht diese Auslegung von Funktionsblöcken das Einbringen von Energieumwandlungsblöcken vor, die einsetzbare Heizelemente 140 aufweisen (3). Somit können Mikroventile gemäß der vorliegenden Erfindung in Großserie hergestellt und für bestimmte Anwendungen zugeschnitten werden, indem die Bauart des verwendeten Heizelements 140 verändert wird. Auf diese Weise lassen sich die Herstellungskosten senken, während für ein breites Anwendungsspektrum eine beträchtliche Flexibilität aufrechterhalten wird.

Während in den bestimmten, hier beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Öffnungsventil 50 gezeigt ist, werden sich dem Durchschnittsfachmann auch Schließkonfigurationen dieser Ausführungsformen ergeben. Beispielsweise kann das in der 2 abgebildete Ventil zu einem wesentlichen Teil als Schließventil hergestellt werden, indem der Hohlraum 100 bei einer Temperatur verschlossen wird, die niedriger als der Betriebsbereich des Ventils liegt. Auf diese Weise wird die flexible Membran 200 ausgelenkt, wenn das Ventil auf Betriebstemperatur erwärmt ist, und sie bewirkt, dass die dazwischen liegende Öffnung 400 geöffnet wird. Um ein solches Ventil zu schließen, wird das Arbeitsfluid 130 gekühlt, und zur Bereitstellung dieser Kühlung kann beispielsweise wie zuvor beschrieben eine Peltier-Wärmepumpe verwendet werden.

Es sollte auch deutlich sein, dass gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Ventile Einzelventile oder Ventile sein können, die mit irgendeiner aus einer Reihe von im Stand der Technik bekannten Strömungsabfühlvorrichtungen verbunden sind. Darüber hinaus sollte deutlich sein, dass die Mikroventile der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichem Ausmaß geöffnet oder geschlossen werden können. Somit können gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigte Ventile nicht nur eine Strömung zulassen bzw. diese blockieren, sondern können auch den Strömungsbetrag dieses Fluids über einen kontinuierlichen Durchsatzbereich steuern. Die Steuerung des Fluiddurchsatzes wird beispielsweise erhalten, indem der Energiebetrag variiert wird, der vom Energieumwandlungsblock in mechanische Energie umgewandelt wird. Auf diese Weise wird die Position des Ventilelements proportional zum Betrag der Auslenkung gegenüber dem abgeschalteten Zustand verändert. So können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine integrierte Strömungs- oder Druckabfühlvorrichtung beinhalten, die eine dynamische Rückkopplung zum Ventil liefern kann, um den vorgesehenen Durchsatz bzw. Druck dynamisch zu regeln. Wenn die Abfühlvorrichtung zur Erfassung des Durchsatzes verwendet wird, wird das Mikroventil im Allgemeinen als Strömungsregler bezeichnet, und wenn die Vorrichtung den Druck bestimmt, wird das Mikroventil im Allgemeinen als Druckregler bezeichnet. Beispielsweise kann ein Strömungsregler gemäß der vorliegenden Erfindung eine Strömungserfassungsvorrichtung mit einem ersten Drucksensor, ein Strömungsdrosselglied und einem zweiten Drucksensor umfassen, an dem der Druckabfall über das Drosselglied gemessen wird. Es ist bekannt, dass für eine vorbestimmte Strömungsdrosselung für ein bestimmtes Fluid der Druckabfall genau auf den Durchsatz kalibriert werden kann. So bietet die Strömungsabfühlvorrichtung für das bestimmte ausgewählte Fluid wie beschrieben eine dynamische Steuerung des Durchsatzes.