DE3917396A1

DE3917396A1 - Mikroventil

Info

Publication number: DE3917396A1
Application number: DE3917396A
Authority: DE
Inventors: Bernd Kowanz; Dirk Dr Schmidt; Wolfgang Dipl Phys Dr Ehrfeld
Original assignee: BUERKERT GmbH; Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: BUERKERT GmbH; Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1989-05-29
Filing date: 1989-05-29
Publication date: 1990-12-06
Also published as: EP0400482A3; DK0400482T3; EP0400482B1; US5054522A; JPH0379878A; DE3917396C2; DE59007736D1; EP0400482A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroventil und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Miniaturisierung von Ventilen hat zur Entwicklung von Mikroventilen geführt, die aufgrund ihrer geringen bewegten Masse und kleinen Stellwege extrem kurze Schaltzeiten, einen geringen Verschleiß und eine geringe Leistungsaufnahme ihres Antriebs aufweisen. Mikroventile, deren Ventilstrukturen Ab messungen bis herab in den Mikrometerbereich aufweisen kön nen, zeichnen sich ferner durch geringes Innen- und Totvolu men und die Möglichkeit einer hochgenauen Dosierung aus.

Solange derartige Mikroventile mit herkömmlichen elektroma gnetischen Antrieben ausgestattet werden, sind der Miniatu risierung Grenzen gesetzt, die durch Schwierigkeiten bei der Montage makroskopischer Bauteile auf mikrotechnisch erzeug ten Strukturen beruhen. Es wurden daher bereits Mikroventile in Betracht gezogen, die mit piezoelektrischem oder magneto striktivem Antrieb oder Bimetallantrieb ausgestattet sind.

Auch bei diesen Antriebskonzepten bereitet jedoch die Monta ge des Antriebs mit den Ventilstrukturen erhebliche Schwie rigkeiten, die der angestrebten kostengünstigen Massenferti gung im Wege stehen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Mikroventils mit geringer Antriebsleistung, hohem steuerbarem Durchsatz, strömungsgünstiger Geometrie und kurzen Schaltzeiten, das die Vorzüge einer rationellen Herstellung und Montage in Massenfertigungstechnik vereinigt, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikroventils anzugeben.

Das erfindungsgemäße Mikroventil, durch welches diese Aufga be gelöst wird, weist folgende Merkmale auf:

a) mindestens zwei mit gestreckten Ventilöffnungen versehene Ventilplatten sind durch Verschieben relativ zueinander in parallelen Ebenen zwischen einer Öffnungsstellung, in der die Ventilöffnungen der Ventilplatten miteinander fluchten, und einer Schließstellung, in der die zwischen den Ventilöffnungen der einen Ventilplatte vorhandenen Stege den Ventilöffnungen der anderen Ventilplatte diese verschließend gegenüberliegen, beweglich;
b) die Ventilplatten sind auf einander in geringem Abstand gegenüberliegenden Flächen mit Elektroden von gestreckter Form versehen;
c) an die Elektroden sind elektrische Steuerpotentiale an legbar;
d) die Elektroden sind senkrecht zur Richtung der Relativ verschiebung der Ventilplatten orientiert.

Das erfindungsgemäße Mikroventil verfügt über einen elektro statischen Antrieb. Zur Verwirklichung eines solchen elek trostatischen Antriebs werden neben den Ventilplatten keine zusätzlichen bewegten Teile benötigt; vielmehr kann der elektrostatische Antrieb mit den oder in die Ventilplatten integriert werden. Die Elektroden werden auf den Ventilplat ten selbst gebildet, wobei sie auf verschiedenste Weise mit den vorzugsweise schlitzförmigen Ventilöffnungen kombiniert werden können. Die Ventilplatten weisen vorzugsweise jeweils mehrere schlitzförmige Ventilöffnungen auf. Die durch den elektrostatischen Antrieb realisierbare Stellkraft ist von der Anzahl der miteinander zusammenwirkenden Elektroden und ihrer Länge senkrecht zur Bewegungsrichtung abhängig. Die einander gegenüberliegenden Elektroden bilden einen Konden sator von variabler Kapazität. Bei den bevorzugten Ausfüh rungsformen sind daher in einer verfügbaren Gesamtelektro denfläche möglichst viele miteinander zusammenwirkende Elek trodenkanten ausgebildet. Durch Anlegen entgegengesetzter Potentiale werden Anziehungskräfte erzeugt, die eine Kompo nente in Richtung der gewünschten Relativverschiebung zwi schen den Ventilplatten aufweisen, solange die streifenför migen Elektroden der beiden Ventilplatten einander nicht ge nau fluchtend gegenüberliegen. Die gleichzeitig erzeugten Querkomponenten der Anziehungskräfte können entweder durch geeignete reibungsarme Lagerung abgefangen oder aber durch Anordnung einer beweglichen Ventilplatte zwischen zwei orts festen Ventilplatten, deren Elektroden auf gleichem Poten tial liegen, kompensiert werden.

Die zulässigen Steuerpotentiale, bei denen noch keine Über schläge zwischen den Elektroden auftreten, können durch Zwi schenfügung einer Isolierschicht auf Werte in den Bereich von über 200 V erhöht werden, auch wenn die Elektroden über eine sehr dünne Isolierschicht von beispielsweise 1 µm Dicke in Gleitkontakt miteinander stehen. Bei solchen Ausführungen wird die Isolierschicht vorzugsweise aus einem Material her gestellt, das eine niedrige Gleitreibung gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Mikroventil zeichnet sich auch durch besonders geringen Raumbedarf aus. Insbesondere ist eine sehr flache Bauweise möglich, da die Ventilplatten flach ausgebildet werden können und außer den Ventilplatten nur ein diese aufnehmendes Gehäuse benötigt wird, in dem die Strömungskanäle für das zu steuernde Medium so angeordnet werden können, daß die Strömung keine Umlenkung erfährt.

Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen Mikroventil von Vor teil, daß die Dimensionierung des Antriebs unabhängig von den Ventilöffnungen gewählt werden kann, so daß eine Anpas sung an unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der zu steuernden Mediendrücke und Durchflußmengen leicht möglich ist.

Aufgrund der sehr kurzen Schaltzeiten des erfindungsgemäßen Mikroventils lassen sich sehr feine Dosierungen und auch sehr schnelle Regelkreise verwirklichen.

Unter den in den Unteransprüchen angegebenen und in der nachfolgenden Beschreibung erläuterten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikroventils ist diejenige hervorzuheben, bei welcher die Elektroden jeder Ventilplatte auf mehrere Gruppen aufgeteilt sind, die gegeneinander um ein Maß ver setzt sind, das einen Bruchteil des Abstandes zwischen be nachbarten Elektroden in jeder Gruppe beträgt. Weiterhin sind die Elektroden der verschiedenen Gruppen elektrisch von einander isoliert, so daß sie durch verschiedene Ansteuerpo tentiale angesteuert werden sowie zu verschiedenen Zeitpunk ten angesteuert werden können. Durch diese Ausbildung wird zum einen vermieden, daß die Ventilplatten, wenn ihre strei fenförmigen Elektroden einander genau fluchtend gegenüber liegend, in einer Totpunktstellung verharren; zum anderen ist durch Ansteuerung der Ventilplatten mittels geeigneter wechselnder Rechteckpotentiale eine Steuerung der Bewegungs richtung und eine schrittweise Schaltung in mehreren Schalt stufen möglich, wobei durch mehrere Gruppen von getrennt an steuerbaren Elektroden die gewünschte Anzahl von Schalt schritten erreicht werden kann.

Weiterhin wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstel lung eines Mikroventils zur Verfügung gestellt, insbesondere eines Mikroventils der oben beschriebenen Art, welches durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

a) Die Ventiplatten aus Kunststoff mit den freien Bereichen für die Ventilöffnungen und für die Elektroden werden mit den Methoden der Röntgentiefenlithographie oder der Kunst stoffabformung auf einer elektrisch leitfähigen Grundplat te hergestellt;
b) die Ventilöffnungen werden durch einen gegenüber dem Kunststoff der Ventilplatten leicht löslichen Lack oder Wachs versiegelt;
c) freie Bereiche der Ventilplatte werden zur Bildung der Elektroden galvanisch mit einem Metall aufgefüllt,;
d) die Oberfläche der Ventilplatten wird poliert, die Ventil öffnungen werden wieder freigelegt, und die polierte Ober fläche der Ventilplatten wird mit einer Isolierschicht versehen;
e) abschließend werden die Ventilplatten von der Grundplatte gelöst und in einem Gehäuse montiert.

Die Röntgentiefenlithographie ist eine Technik, die aus den KfK-Nachrichten Jahrgang 19 4/87, S. 167-179 bekannt ist und sich zur Herstellung eines Mikroventils gut eignet, weil feinste Strukturen mit zur Bestrahlungsrichtung nahezu par allelen Strukturwandungen über ausreichende Schichtdicken hergestellt werden können. Die Röntgentiefenlithographie wird mit Synchrotronstrahlung ausgeführt. Zunächst wird eine primäre Kunststofform erzeugt, die dann galvanisch mit einem Metall aufgefüllt wird. Die entstandene Metallstruktur wird dann als Formeinsatz für die Herstellung sekundärer Kunst stofformen benutzt, die bei der Massenfertigung an die Stel le der primären Kunststofform treten. Diese Verfahrensweise eröffnet die Massenherstellung feinster Mikroventilstruktu ren, insbesondere für das oben beschriebene Mikroventil.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeich nung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Teil-Perspektivansicht von drei Ventilplatten einer ersten Ausführungsform des Mikroventils;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine der Ventilplatten der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des Mikroventils;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Mikroven tils mit Gehäuse;

Fig. 4 eine schematische Teil-Perspektivansicht von zwei Ventilplatten einer weiteren Ausführungsform des Mikroventils;

Fig. 5 eine vergrößerte Teil-Draufsicht auf die in Fig. 4 gezeigten Ventilplatten;

Fig. 6 eine Draufsicht einer Ventilplatte nach einer Wei terbildung der Ausführungsform nach Fig. 2; und

Fig. 7 ein Diagramm, welches die Ansteuerung eines Mi kroventils durch wechselnde Steuerpotentiale ver anschaulicht.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform enthält das Mi kroventil drei Ventilplatten: zwei mechanisch miteinander verbundene, feststehende Ventilplatten 10, 12 und eine zwi schen diesen angeordnete, bewegliche Ventilplatte 14. Die Ventilplatten 10, 12 können auch als "Stator-Ventilplatten" und die Ventilplatte 14 als "Läufer-Ventilplatte" bezeichnet werden.

Die Ventilplatten 10, 12 und 14 sind mit drei schlitzförmi gen Ventilöffnungen 16 versehen. Die Ventilöffnungen 16 er strecken sich geradlinig senkrecht zur Richtung der Relativ verschiebung zwischen den Ventilplatten; diese Richtung ist in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil veranschaulicht. Alle Ven tilöffnungen 16 weisen dieselbe Breite und denselben Abstand von der jeweils benachbarten Ventilöffnung auf. Der Abstand zwischen benachbarten Ventilöffnungen 16 ist etwas größer als die Breite der Ventilöffnungen. In Fig. 1 sind die Ven tilplatten 10, 12 und 14 in einer Zwischenstellung gezeigt, bei welcher die zwischen den Ventilöffnungen 16 der Ventil platte 14 befindlichen Trennstege 18 den durch die Ventil öffnungen 16 der Ventilplatten 10, 12 gebildeten Strömungs spalt teilweise verschließen. Die Ventilplatte 14 ist zwi schen einer Öffnungsstellung, in welcher die Ventilöffnungen aller Ventilplatten miteinander fluchten, und einer Schließ stellung, in welcher die Stege 18 der Ventilplatte 14 die Ventilöffnungen 16 der Ventilplatten 10, 12 verschließen, beweglich.

Die Stellkräfte zur Verschiebung der Ventilplatte 14 werden durch einen elektrostatischen Antrieb bereitgestellt. Dieser elektrostatische Antrieb ist in die Ventilplatten 10, 12, 14 integriert. Er besteht aus streifenförmigen Elektroden, die zumindest auf den einander zugewandten Flächen der Ventil platten 10, 12, 14 in gleichen Abständen voneinander Paral lel zu den Ventilöffnungen 16 mit einem Teilungsabstand an geordnet sind, der dem Teilungsabstand der Ventilöffnungen 16 entspricht.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform bestehen die Ventilplatten 10, 12 und 14 aus einem nichtleitenden Kunst stoff. In den Elektroden der Ventilplatten entsprechenden Zwischenräumen ist galvanisch Metall abgeschieden. Die Elek troden sind in Fig. 1 schraffiert dargestellt und mit der Bezugszahl 20 auf der einen Seite der Ventilöffnungen 16 bzw. 22 auf der anderen Seite bezeichnet. Die Elektroden 20, 22 erstrecken sich durch die gesamte Dicke der Ventilplatten 10, 12, 14 hindurch. An ihren Enden sind sie jeweils durch eine Leiterbahn 24 elektrisch miteinander verbunden.

Die Ventilplatten 10, 12, 14 werden, wenn besonders geringe Reibungsverluste angestrebt werden, in geringem Abstand von höchstens einigen µm voneinander angeordnet. Bevorzugt wer den jedoch Ausführungen, bei denen jeweils zwischen zwei Ventilplatten wenigstens eine Isolierschicht eingefügt ist, welche die elektrische Durchschlagsfestigkeit erhöht, so daß an die Elektroden 20, 22 erhöhte Steuerpotentiale angelegt werden können. Es sind Isolierschichten verfügbar, die so wohl die angestrebte hohe Durchschlagsfestigkeit und Dielek trizitätskonstante als auch eine hohe Verschleißfestigkeit und niedrige Gleitreibung aufeinander aufweisen.

Es wird nun die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform beschrieben.

Die einander gegenüberliegenden Elektroden 20 bzw. 22 der Ventilplatten 10, 12, 14 bilden jeweils einen Kondensator. Zwischen den Elektroden jedes Kondensators sind Kräfte vor handen, deren Richtung und Größe von den an die Elektroden angelegten Potentialen abhängt.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Zwischenstellung der Ventilplat te 14 bezüglich der Ventilplatten 10, 12 sind die streifen förmigen Elektroden 20, 22 der Ventilplatte 14 gegenüber de nen der Ventilplatten 10, 12 in Richtung der Relativverschie bung versetzt. Werden nun an die Elektroden 20, 22 der Ven tilplatten 10, 12 gleiche und an die Elektroden der Ventil platte 14 ein entgegengesetztes elektrisches Steuerpotential angelegt, so entstehen zwischen den jeweils einander gegen überliegenden Elektroden Anziehungskräfte mit Kraftkomponen ten in Richtung der Relativverschiebung und Kraftkomponenten senkrecht zu dieser Richtung. Die senkrecht zur Richtung der Relativverschiebung orientierten Kräfte sind beiderseits der Ventilplatte 14 gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet, so daß sie einander weitgehend kompensieren. Die resultie renden Kräfte wirken allein in Richtung der Relativverschie bung und bewirken eine Bewegung der Ventilplatte 14 in die Öffnungsstellung, in welcher alle Ventilöffnungen 16 mitein ander fluchten.

Unter der Wirkung einer beispielsweise durch eine Feder er zeugten Rückstellkraft F erfolgt die Bewegung der Ventil platte 14 in entgegengesetzter Richtung bis in die Schließ stellung, in welcher die Trennstege 18 den Durchgang der Ventilöffnungen 16 versperren.

Fig. 2 zeigt eine vollständige Ventilplatte in Draufsicht. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Flächeninhalt der strei fenförmigen Elektroden 20, 22 ein Vielfaches des Flächenin halts der beiden Ventilöffnungen 16 beträgt. Da die erzeug baren Stellkräfte die Summe der durch jede einzelne Elektro de erzeugten Kräfte ist, kann die für die jeweiligen Anfor derungen geeignete Stellkraft über die Anzahl von Elektroden eingestellt werden, wobei davon ausgegangen wird, daß gleich große Steuerpotentiale angelegt werden, bei denen ein Über schlag zwischen den Elektroden mit Sicherheit nicht auftritt. Es ist ferner ohne weiteres ersichtlich, daß die erzeugte Stellkraft proportional zur Länge der streifenförmigen Elek troden ist, so daß eine weitere Variationsmöglichkeit darin besteht, die Länge der streifenförmigen Elektroden geeignet zu bemessen.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausbildung einer Ventilplatte 30 sind die Enden der streifenförmigen Elektroden 20, 22 an ei nen die gesamte Struktur umgebenden Verbindungsrahmen 32 an geschlossen, der an einer Seite der Rechteckform der Ventil platte über einen Ansatz 34 bis zu einer Kante fortgesetzt ist. An dieser Kante kann eine Kontaktierung erfolgen, bei spielsweise mittels einer Kontaktfeder oder eines Kontakt schleifers.

Fig. 3 zeigt ein vollständiges Mikroventil mit Ventilplatten der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Art, die in einer Ausneh mung eines aus zwei Teilen 40, 42 bestehenden Gehäuses auf genommen sind. Die drei Ventilplatten sind analog zu Fig. 1 mit den Bezugszahlen 10, 12 und 14 bezeichnet. Die jeweilige Anzahl von Ventilöffnungen und ihre geometrische Gestalt so wie die Anzahl und Anordnung von Elektroden können an den jeweiligen Anwendungsfall des Ventils, d.h. Durchsatz und zu schaffender Druck, optimal angepaßt werden.

Die beiden Gehäuseteile 40, 42 weisen miteinander fluchtende Strömungskanäle 44, 46 auf, welche gegenüber den Ventilöff nungen 16 in eine Aussparung 49 einmünden, die sich in dem Teil 42 befindet und in welcher die Ventilplatten 10, 12, 14 aufgenommen sind. Durch eine gewölbte Blattfeder 50, die sich einerseits an einer Wandung einer Aussparung 48 des Teils 40 und andererseits an der äußeren Fläche der Ventil platte 10 abstützt, werden die Ventilplatten 10, 12, 14 un ter leichter Vorspannung in Anlage aneinander gehalten. Die Kontaktierung der Elektroden der verschiedenen Ventilplatten 10, 12, 14 erfolgt in dem mit 52 bezeichneten Bereich der seitlichen Kanten dieser Ventilplatten.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist eine Läufer- Ventilplatte 60 mit einer Stator-Ventilplatte 62 kombiniert, die aus einer Grundplatte 62 A und einer darauf aufgesetzten Elektrodenplatte 62 B besteht. In der Elektrodenplatte 62 B sind Aussparungen gebildet, in welchen seitliche Ansätze 60 A, 60 B der Läufer-Ventilplatte 60 verschiebbar aufgenommen sind. An den einander gegenüberliegenden und zur durch einen Dop pelpfeil gekennzeichneten Verschiebungsrichtung parallelen Flächen sind die Ansätze 60 A, 60 B und die entsprechenden Teile der Elektrodenplatte 62 B mit Elektroden versehen, die in Draufsicht entsprechend der Fig. 5 kammförmig sind. Jeder Vorsprung der Kammstruktur bildet an seinem Stirnende eine Elektrode. Die Trennung zwischen benachbarten Elektroden wird durch den Freiraum zwischen benachbarten Vorsprungen der Kammstruktur hergestellt. Die Elektrodenstrukturen bil den zum einen zwei Gruppen, die spiegelsymmetrisch beider seits der schlitzförmigen Ventilöffnungen 16 gelegen sind, und andererseits eine Anzahl von Gruppen auf jeder Seite der Ventilöffnungen. Weiterhin ist ersichtlich, daß in Längsrich tung der Ventilöffnungen 16 mehrere Sätze dieser Ventilöff nungen paarweise vorhanden sind. Der Läufer-Ventilplatte 60 sind Führungsstreifen 64 zugeordnet, welche die seitlichen Kanten am freien Ende des Fortsatzes 60 A bzw. 60 B in einem konstanten und wohldefinierten Abstand von den gegenüberlie genden Wandungen der Elektrodenplatte 62 B halten.

Die Elektrodenplatte 62 B und die Ventilplatte 60 bestehen aus Metall, das galvanisch in den Zwischenformen einer Kunst stofform eingelagert wurde. Zwischen Elektrodenplatte 62 B und Ventilplatte 60 wird vorzugsweise wenigstens eine Iso lierschicht angeordnet, in ähnlicher Weise wie bei der Aus führungsform nach Fig. 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Mikroven tilen der oben beschriebenen Art macht von den Verfahrens schritten Röntgentiefenlithographie, Galvanoformung und Kunststoffabformung Gebrauch, die zusammen als LIGA-Verfah ren bezeichnet werden und in den KfK-Nachrichten, Jahrgang 19 4/87, Seite 167-179 genau beschrieben sind. Das LIGA-Ver fahren erlaubt die Herstellung hochpräziser Mikrostrukturen aus Kunststoffen, Metallen oder Strukturen aus einem Metall/ Kunststoff-Verbund. Auf einer elektrisch leitfähigen Grund platte werden Ventilplattenrohlinge angeordnet, die durch Röntgenstrahllithographie oder Kunststoffabformung mit frei en bzw. ausgesparten Bereichen versehen wurden, die den Ven tilöffnungen und den Elektrodenstrukturen entsprechen. Die Ventilöffnungen werden dann mittels eines Lackes, der im Vergleich zum Kunststoffmaterial des Ventilplattenrohlings leicht löslich ist, oder mittels Wachs versiegelt. Die ver bleibenden, den Elektrodenstrukturen entsprechenden freien Bereiche werden dann galvanisch mit einem Metall aufgefüllt. Im nächsten Schritt wird die Oberfläche der Ventilplatten rohlinge poliert. Daraufhin werden die Ventilöffnungen wie der freigelegt. Schließlich wird die polierte Oberfläche mit einer Isolierschicht versehen. Die so fertiggestellte Ven tilplatte kann dann mit den erforderlichen weiteren Ventil platten in einem Gehäuse montiert werden.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführung einer feststehenden Ventilplatte 30 eines Mikroventils sind die Elektroden in drei elektrisch voneinander getrennten Gruppen 20 A/22 A, 20 B/ 22 B, 20 C/22 C angeordnet. Die Elektrodengruppen 20 A, 20 B, 20 C sind auf einer Seite der Ventilöffnungen 16, die Elektroden gruppen 22 A, 22 B, 22 C auf der anderen Seite der Ventilöff nungen angeordnet. Elektroden der gleichen Gruppe sind über Leiterbahnen 32 elektrisch miteinander verbunden. Die Lei terbahnen sind über Ansätze 34 bis an die Kante der Ventil platte geführt, wo eine Kontaktierung beispielsweise mit ei ner Kontaktfeder oder einem Kontaktschleifer erfolgen kann. Die Ansteuerung der einzelnen Elektrodengruppen mittels ge eigneter Steuerpotentiale ist in Fig. 7 am Beispiel einer Ausführungsform erläutert, die von der nach den Fig. 4 und 5 abgeleitet ist.

In Fig. 7 sind drei Elektrodengruppen einer feststehenden Ventilplatte und die Elektroden einer beweglichen Ventilplat te in verschiedenen Ansteuerungszuständen dargestellt. Aus darstellungstechnischen Gründen sind pro Elektrodengruppe nur drei Elektroden gezeichnet. Die einzelnen Elektrodengrup pen sind gegeneinander um jeweils 1/3 der Elektrodenteilung verschoben und können einzeln mit Steuerpotentialen beauf schlagt werden. Die Vorzeichen der angelegten Steuerpoten tiale sind an den jeweiligen Elektroden angegeben. Die beweg liche Ventilplatte liegt mit ihren Elektroden auf konstantem, positivem Potential. Das Steuerpotential an den feststehen den Elektrodengruppen kann getrennt für jede Gruppe zwischen positivem und negativem Potential umgeschaltet werden. Der erste in Fig. 7 gezeigte Fall entspricht negativem Potential an der linken feststehenden Elektrodengruppe und positivem Potential an den beiden anderen Gruppen. Aufgrund elektro statischer Anziehungskräfte ist die bewegliche Ventilplatte bestrebt, sich so gegenüber der feststehenden Ventilplatte auszurichten, daß die Elektroden der beweglichen Platte und die Elektroden der linken Elektrodengruppe der festen Ven tilplatte sich fluchtend gegenüberliegen. Bei dem zweiten in Fig. 7 gezeigten Fall ist dieser Zustand annähernd erreicht. Bei dem dritten gezeigten Fall liegen die Elektroden der be weglichen und die Elektroden der linken Gruppe der festen Ventilplatte fluchtend gegenüber. Das Steuerpotential an der linken Elektrodengruppe wird nun positiv, statt dessen wird an der rechten Elektrodengruppe ein negatives Potential an gelegt. Dies bewirkt eine Ausrichtung der beweglichen Ven tilplatte nach den Elektroden der rechten Gruppe und somit die weitere Bewegung nach links, wie es in Fall vier gezeigt ist. Im Fall fünf ist die fluchtende Ausrichtung zwischen den Elektroden der rechten Gruppe und den Elektroden der be weglichen Ventilplatte erreicht, und an der rechten Gruppe wird positives Potential angelegt. Eine weitere Verschiebung kann nun durch Anlegen von negativem Potential an die mitt lere Elektrodengruppe erzielt werden. Dies ist in Fall fünf und sechs dargestellt. Nach Beendigung dieser Bewegung ist der in Fall eins dargestellte Ausgangszustand wieder er reicht. Damit wurde die bewegliche Ventilplatte um eine vol le Elektrodenteilung nach links verschoben. Soll die beweg liche Ventilplatte weiterbewegt werden, können die im Fall eins bis sechs gezeigten Schritte wiederholt werden. Um die bewegliche Ventilplatte nach rechts zu verschieben, muß die Reihenfolge der Ansteuerung der Elektroden der feststehenden Ventilplatte geändert werden. Bei einer Ansteuerung in der Reihenfolge links-Mitte-rechts erfolgt die Verschiebung der Ventilplatte nach rechts.

Bei praktischen Ausführungsformen eines Mikroventils nach den Fig. 1 bis 3 und 6 haben die rechteckigen Ventilplatten beispielsweise eine Größe von 20 × 15 mm², und auf jeder Ven tilplatte befinden sich 900 Elektroden von 14 mm Länge und 10 µm Breite. Bei Ansteuerung mit einer Spannung von 220 V kann eine Stellkraft von 2,4 N bei den Ausführungsformen mit einer Elektrodengruppe und 0,8 N bei Ausführungsformen mit drei Elektrodengruppen erzeugt werden. Bei den Ausführungs formen nach den Fig. 1 bis 3 kann die Rückstellung der beweg lichen Ventilplatte durch ein äußeres Rückstellelement, bei spielsweise eine Rückstellfeder, erfolgen. Bei Ausführungs formen mit mehreren Elektrodengruppen sind die Elektroden gruppen der festen Ventilplatte um jeweils 6,67 µm gegenein ander versetzt und werden von phasenverschobenen Rechteck spannungen angesteuert. Durch Anordnung und Ausbildung der Elektroden in Kombination mit der Ansteuerung wird ein Ver harren in einer Totpunktlage vermieden und erreicht, daß die Laufrichtung wie bei einem Dreiphasen-Synchronmotor bestimmt werden kann.

Während es sich bei den beschriebenen Ausführungsformen um Einwegventile handelt, ist ohne weiteres ersichtlich, daß auch Mehrwegventile unter Anwendung der erfindungsgemäßen Prinzipien verwirklicht werden können, indem die Ventilöff nungen und Strömungswege einander in der geeigneten Weise zugeordnet werden.

Claims

1. Mikroventil, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) mindestens zwei mit gestreckten Ventilöffnungen (16) ver sehene Ventilplatten (10, 12, 14) sind durch Verschieben relativ zueinander in parallelen Ebenen zwischen einer Öffnungsstellung, in der die Ventilöffnungen (16) der Ventilplatten (10, 12, 14) miteinander fluchten, und ei ner Schließstellung, in der die zwischen den Ventilöff nungen (16) der einen Ventilplatte (14) vorhandenen Stege (18) den Ventilöffnungen (16) der anderen Ventilplatten (10, 12) diese verschließend gegenüberliegen, beweglich,;
b) die Ventilplatten (10, 12, 14) sind auf einander in ge ringem Abstand gegenüberliegenden Flächen mit streifen förmigen Elektroden (20, 22) versehen;
c) an die Elektroden (20, 22) sind elektrische Steuerpoten tiale anlegbar;
d) die Elektroden (20, 22) sind senkrecht zur Richtung der Relativverschiebung der Ventilplatten (10, 12, 14) orien tiert.

2. Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite und der Abstand der streifenförmigen Elektro den (20, 22) voneinander annähernd gleich dem Stellweg zwi schen Öffnungsstellung und Schließstellung oder kleiner als dieser ist.

3. Mikroventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite und der Teilungsabstand der streifenförmigen Elektroden (20, 22) auf einander gegenüberliegenden Ventil platten (10, 12, 14) jeweils gleich sind.

4. Mikroventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Elektroden (20, 22) einander gegenüberliegender Ventilplatten (10, 12, 14) auf den einan der zugewandten Flächen dieser Ventilplatten angeordnet sind.

5. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf zu den Ebenen der Ventilplatten (60, 62 A) senkrechten, zur Richtung der Rela tivverschiebung der Ventilplatten parallelen Flächen ange ordnet sind und eine der Ventilplatten (60) in einer Ausneh mung einer auf die andere Ventilplatte (62 A) aufgesetzten Elektrodenplatte (62 B) angeordnet ist, wobei die Elektroden dieser Elektrodenplatte (62 B) an Wandungsteilen gebildet sind, welche die Ausnehmung beranden.

6. Mikroventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden an den Stirnflächen erhabener Wandungs teile gebildet sind, die in Draufsicht kammförmig struktu riert sind und daß die Zwischenräume zwischen den Kammzinken durch elektrisch isolierendes Material ausgefüllt sind.

7. Mikroventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß eine bewegliche Ventilplatte (14) zwischen zwei ortsfesten Ventilplatten (10, 12) angeordnet ist und die bewegliche Ventilplatte (14) auf ihren beiden Flächen mit Elektroden (20, 22) versehen ist, die jeweils den Elektroden einer ortsfesten Ventilplatte (10, 12) gegen überliegen.

8. Mikroventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zwischen den Ventilplatten wenig stens eine Isolierschicht angeordnet ist.

9. Mikroventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Elektroden jeder Ventilplatte in gegeneinander versetzten Gruppen angeordnet sind, die elektrisch voneinander isoliert und getrennt an Steuerpoten tiale anlegbar sind.

10. Mikroventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß der Versetzung der Elektroden verschiedener Gruppen einen Bruchteil des Abstandes der Elektroden jeder Gruppe voneinander beträgt.

11. Mikroventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bruchteil des Abstandes etwa 1/3 beträgt.

12. Mikroventil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Elektroden angelegten Steuer potentiale symmetrische Rechteck-Wechselpotentiale sind.

13. Mikroventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden einer Ventilplatte auf festes Potential gelegt sind und an die Elektroden der wenigstens einen ande ren Ventilplatte ein rechteckförmiges Potential wechselnden Vorzeichens angelegt ist.

14. Mikroventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Ventilplatten (10, 12, 14) in der Aussparung (48, 49) eines Gehäuses (40, 42) aufgenommen sind, welches mit in die Aussparung (48, 49) einmündenden Strömungskanälen (44, 46) und mit Kontakteinrichtungen zur Kontaktierung der Elektroden versehen ist.

15. Mikroventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Zuordnung zwischen Ventilöff nungen und Strömungswegen zur Verwirklichung eines Mehrwege ventils ausgelegt ist.

16. Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils, insbeson dere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß mindestens zwei relativ zueinander verschiebbare, mit korrespondierenden Ventilöffnungen versehene Ventilplat ten hergestellt werden, indem

a) Ventilplattenrohlinge aus Kunststoff mit Durchbrüchen für die Ventilöffnungen und Ausnehmungen für die Elektroden durch Anwendung der Röntgentiefenlithographie oder der Kunststoffabformung versehen werden;
b) die Ventilplattenrohlinge auf einer elektrisch leitfähi gen Grundplatte angeordnet werden;
c) die Durchbrüche mit einem Wachs oder Lack, der gegenüber dem Kunststoff der Ventilplatten leicht löslich ist, auf gefüllt werden;
d) in den Ausnehmungen der Ventilplattenrohlinge galvanisch ein Metall abgeschieden wird; und
e) mindestens eine Oberfläche der Ventilplattenrohlinge po liert wird;
f) die Ventilöffnungen durch Beseitigen des Wachses oder Lackes in den Durchbrüchen wieder freigelegt werden;
g) die polierten Seiten der Ventilplattenrohlinge mit einer Isolierschicht versehen werden;
h) und daß die so fertiggestellten Ventilplatten von der Grundplatte gelöst und in einem Gehäuse montiert werden.

17. Verfahren zur Herstellung eines Mikroventils, insbeson dere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ven til-, eine Stator- und eine Läuferplatte hergestellt werden, indem

a) Negative der Ventil-, Stator- und Läuferplatte aus Kunst stoff unter Anwendung der Röntgentiefenlithographie oder Kunststoffabformung auf einer leitfähigen Grundplatte hergestellt werden;
b) die freien Bereiche der Kunststoffstrukturen mit einem Metall aufgefüllt und so Ventil-, Stator- und Läuferplat ten aus Metall gebildet werden;
c) die Oberflächen von Ventil-, Stator- und Läuferplatten poliert, danach der Kunststoff aufgelöst und die Oberflä chen mit einer Isolierschicht versehen werden;
d) Ventil-, Stator- und Läuferplatte von der Grundplatte ge löst und in einem Gehäuse montiert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Ventil-, Stator- und Läuferplatte gleichzeitig hergestellt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Mikroventils mit Ventilsitzen aus Kunststoff Ventil-, Stator- und Läuferplatte getrennt herge stellt werden, indem

a) die Ventilplatte durch Kunststoffabformung getrennt her gestellt wird;
b) die Läuferplatte gleichfalls getrennt durch Kunststoffab formung mit leitfähigen Kunststoffen hergestellt und mit einer Isolierschicht versehen wird;
c) die Statorplatte nach den Schritten a) bis d) des An spruchs 17 hergestellt und von der Grundplatte gelöst wird; und
d) Ventil-, Läufer- und Statorplatte in einem Gehäuse mon tiert werden.