WO1999053205A1 - Liquid flow amplification device - Google Patents

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WO1999053205A1
WO1999053205A1 PCT/EP1999/001199 EP9901199W WO9953205A1 WO 1999053205 A1 WO1999053205 A1 WO 1999053205A1 EP 9901199 W EP9901199 W EP 9901199W WO 9953205 A1 WO9953205 A1 WO 9953205A1
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control
channel
quantity amplifier
amplifier device
amplifier
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PCT/EP1999/001199
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Kurt Stoll
Michael Weinmann
Peter Post
Herbert Vollmer
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Festo Ag & Co.
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    • F16K2099/009Fluid power devices

Definitions

  • a disadvantage of the known microvalve is the limited controllable fluid throughput. Due to the electrostatic actuators, only a small stroke of the valve plate can be realized, which limits the available flow cross sections. Conventional valve technology must therefore usually be used to control fluid flows with a higher throughput, which results in correspondingly larger construction volumes.
  • a quantity amplifier device for fluid streams which contains at least one fluid-controlled micromechanical quantity amplifier produced by microstructuring processes, one by two Laminated body has a chamber which is subdivided by a movable control membrane into a control chamber communicating with a control channel and an overflow chamber communicating with an inflow channel and an outflow channel, the control membrane depending on the control pressure applied to the control channel into a closed position closing the inflow channel and the outflow channel or an open position releasing these two channels and thus allowing fluid to flow over between the inflow channel and the outflow channel can be moved.
  • the core of the quantity amplifier device is formed by a micromechanical quantity amplifier in membrane construction, which can be produced by any microstructuring technology.
  • a control membrane is used as the control element, which at least partially has flexible properties and whose instantaneous switching
  • Position can be specified by the control pressure applied to the control channel.
  • a sufficiently high control pressure is applied to the control channel, the control membrane is pressed tightly against the mouths of the inflow channel and the outflow channel, so that the connection between these two channels is shut off.
  • the sufficiently high control pressure can be achieved, for example, by choosing a suitable control pressure level or by suitable surface differences in the control membrane.
  • the control membrane lifts off the aforementioned orifices, so that a fluid present at the inflow channel, for example compressed air, can flow through the overflow space to the outflow channel.
  • control membrane which is caused by the fluidic and preferably pneumatic control pressure, allows the realization of relatively large switching paths and accordingly the provision of large flow cross sections in the open position, see above da ß large amounts of working fluid can be controlled with a small amount of control fluid despite micro-design.
  • the volume booster device is suitable for vacuum applications as well as for overpressure applications.
  • the production of the quantity amplifier device and the quantity amplifier belonging to it is possible in principle with all relevant microstructuring methods.
  • the production using silicon technology or by means of impression technology is only an example.
  • the control membrane can be manufactured separately and then attached to the
  • Laminated bodies to be fixed in addition, a direct molding, for example by spin coating, would also be possible after the associated laminated body has been planarized beforehand, if necessary.
  • a particular advantage of the quantity amplifier device is that a plurality of micromechanical quantity amplifiers can be combined in it with a suitable fluidic connection. This allows the implementation of cascaded arrangements or higher-quality valve functions.
  • three micromechanical quantity amplifiers are fluidly linked to one another in such a way that a three-way valve switching function can be implemented.
  • a characteristic can easily be set here according to the selected link
  • the quantity amplifier device expediently has two quantity amplifiers which are linked to one another in such a way that the supply S flow channel of one is connected to the outflow channel of the other quantity amplifier and both of the aforementioned channels communicate with a common working channel, the control channel of one quantity amplifier being connected via a pilot channel to the outflow channel of a third quantity amplifier (pilot quantity amplifier) used for pilot control, the control channel of which communicates with the control channel of the other quantity amplifier of the first two quantity amplifiers mentioned.
  • the pilot channel is connected to a vent channel leading to the surroundings, which allows the pilot channel to be vented when the outflow channel of the pilot quantity amplifier is blocked.
  • a constantly open ventilation channel provided with a flow resistance can be provided, which could also be referred to as a "bleed resistor” or "standard leak”.
  • a switchable shut-off valve could also be provided, the actuation of which is coupled to the actuation of the pilot quantity amplifier.
  • the quantity booster device expediently has at least one micromechanical control valve which is constructed in a multi-layer construction and which is assigned to the control channel of at least one quantity booster in order to influence its control pressure and thus the pressure of the connected control room or rooms. Since only small amounts of fluid have to be applied to the micromechanical quantity amplifier on the part of the control channel, a conventional microvalve with electrical actuation can be used for control or pre-control.
  • a possible design for a control valve is given in EP 0 485 739 AI, whereby either a 3/2-way valve or two 2/2-valves could expediently be used.
  • the quantity amplifier device has a structural unit in which at least one micromechanical quantity amplifier and at least one micromechanical control valve are combined to form one structural unit.
  • the various laminated bodies of the quantity booster (s) and of the control valve (s) can at least partially be designed as a structural unit and can be processed together for this purpose.
  • FIG. 1 shows a first design of the quantity amplifier device according to the invention, containing a single micro-mechanical quantity amplifier, which is shown in cross section, the control membrane being shown in the closed position and its open position additionally indicated by dash-dot lines.
  • Figure 2 shows a further embodiment of the quantity amplifier device according to the invention, the three to one
  • 3/2-switching function linked quantity amplifier and a micromechanical control valve serving for control has, the overall arrangement is combined to form a structural unit and dash-dotted lines indicate additional cover layer bodies in which connecting fluid channels can run, the whole on average at right angles to the expansion planes of the individual Layers,
  • FIG. 3 shows the membrane amplifier device according to FIG. 2 in a section parallel to the plane of expansion of the layers according to section line IV-IV, with an optional supplementary component being shown in dash-dot lines, which contains a switchable shut-off valve (not shown in greater detail) which is assigned to a ventilation channel
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the structure and the internal fluidic connection of the individual components of the quantity booster device according to FIGS. 2 and 3.
  • a quantity amplifier device 1 which has a single fluid-controlled micromechanical quantity amplifier 2.
  • This quantity amplifier 2 is produced by any suitable microstructuring method in a layered construction.
  • the quantity amplifier 2 comprises two layer bodies 3, 4 which are arranged next to one another and have mutually parallel expansion planes in the normal direction of these expansion planes and are produced using silicon technology.
  • the laminated bodies 3, 4 delimit between them a chamber 5, for example formed by etching, in which is arranged a control membrane 6, for example made of plastic material, which is at least partially flexible or at least flexibly suspended.
  • control membrane 6 is fixed on the edge in the connection area between the two laminated bodies 3, 4 and divides the chamber 5 into a control chamber 7 facing one laminated body 3 and an overflow space 8 facing the other laminated body 4.
  • control membrane could also be free without an attachment on the edge be designed to be movable.
  • control chamber 7 defined between the control membrane 6 and the one, first laminate 3 communicates with a control channel 12 which penetrates the first laminate 3 and opens out into the control chamber 7 opposite the control membrane 6.
  • the overflow space 8 communicates with an inflow channel 13 and an outflow channel 14. These two channels penetrate the other, second sealing body 4 and open opposite the control membrane 6 into the overflow space 8.
  • the control membrane 6 can be moved in the chamber 5 at right angles to its plane of expansion running parallel to the layer planes, in accordance with the double arrow 15.
  • it can be designed to be flexurally elastic overall and have a film-like structure that is present in the exemplary embodiment.
  • control membrane 6 can be moved between the closed position shown in solid lines in FIG. 1 and an open position shown in broken lines by the movement options mentioned. In the closed position, it covers the mouths of the inflow channel 13 and the outflow channel 14 facing the overflow chamber 8, so that these two channels are separated from the overflow chamber 8. The control membrane 6 is lifted from the mouth of the control channel 12, which consequently communicates with the control chamber 7. In the open position, the control membrane 6 covers the mouth of the control channel 12 and simultaneously releases the mouths of the inflow channel 13 and outflow channel 14, which are thus both connected to the overflow space 8.
  • the inflow channel 13 is connected to a pressure source Y - preferably a compressed air source - and the outflow channel 14 leads to a consumer Z.
  • the control channel 12 can be connected in a controlled manner to a control pressure source X, the current position of the control membrane 6 being dependent on that Control channel depends on the existing control pressure.
  • the pressure at the inflow channel 13 will correspond to the pressure that can be applied at the control channel 12, since both channels can be supplied from the same fluid source.
  • the control membrane 6 which is in the form of a light film, is placed close over the mouths of the channels 13, 14 due to the area differences, so that the consumer Z is shut off from the pressure source Y.
  • Removing the control pressure at the control channel 12 means that the fluid present at the inflow channel 13 can lift the control membrane 16 from the assigned mouth and can move it in the direction of the first laminate 3.
  • the control membrane 6 also lifts from the mouth of the outflow channel 14 and the fluid originating from the pressure source Y can flow out to the consumer Z through the overflow space 8.
  • control membrane 6 is thus controlled fluidically and in particular pneumatically. This allows large diaphragm strokes to be realized in the direction of movement 15 and, accordingly, in the open position to ensure large flow cross sections. With only low flow values on the part of the control channel 12, large flow values on the part of the inflow channel 13 and the outflow channel 14 can thus be controlled and a connected consumer can thus be supplied with high flow rates despite the micro-construction.
  • micromechanical quantity amplifier in membrane design which can be used optimally for controlling fluid flows, particularly in micropneumatic applications. It can be used alone or in combination with other similar quantity amplifiers in order to obtain quantity amplifier devices that enable more complex amplifier circuits.
  • a possible embodiment for such a multiple arrangement will be explained later with reference to FIGS. 2 to 4.
  • the two layer bodies 3, 4 are processed using silicon technology.
  • the overflow space 8 can first be patterned out by an etching process, starting from a silicon wafer.
  • the depression is then filled with a resist and planarized.
  • the control membrane 6 is hurled onto it from plastic material.
  • the inflow channel 13 and the outflow channel 14 are structured and the resist is removed through these channels, so that a unit consisting of the second laminate 4 and the control membrane 6 is present.
  • the first laminate 3 which is also structured from a silicon wafer, has to be glued on in a suitable manner.
  • the laminated bodies 3, 4 could be made of plastic material and the control membrane 6 could be made on the basis of silicon material, for example in the form of a further interposed laminated body.
  • sealing seats are required to seal the channel openings, these can be provided on the laminated bodies 3, 4 and / or on the control membrane 6, as desired.
  • the quantity amplifier device can generally be used wherever small flows are to be amplified, for example in connection with pneumatic measuring probes or as a fluid-operated valve.
  • the control membrane 6 can be suspended on one or more sides; both a fluid-impermeable and a fluid-permeable structure are possible.
  • the material selection of the quantity booster is possible within wide limits, whereby in addition to silicon and polymer, for example, amorphous metals or material combinations can also be used.
  • the further exemplary embodiment of a quantity amplifier device 1 'shown in FIGS. 2 to 4 is distinguished by the presence of a plurality of micromechanical quantity amplifiers 2 which are combined to form an amplifier unit 16 and are fluidically linked to one another.
  • the specific exemplary embodiment has a total of three volume boosters 2, which are identified by reference numerals 2 1 , 2 "and 2"'' for better distinction.
  • the fluidic connection is implemented, for example, in such a way that a higher-value valve function is located above a simple two-way switching function is generated, which in the present case is a 3/2 switching function.
  • the quantity amplifier device l 1 contains a first quantity amplifier 2 'and a second quantity amplifier 2 ", which are linked to one another in such a way that the inflow channel 13' of the first quantity amplifier 2 'is connected to the outflow channel 14" of the second quantity amplifier 2 ".
  • These two channels 13 ', 14 " also communicate with a common working channel A, which can be connected to a consumer to be operated, for example with a pneumatic miniature cylinder.
  • the inlet channel 13 'of the second set amplifier 2' is connected to a pressure source P in compound which provides a rbeits horr A under a stationary fluid pressure medium.
  • the control channel 12 "of the second quantity amplifier 2" is connected via a pilot control channel 17 to the outflow channel 14 '''of the third quantity amplifier 2 I,! connected.
  • the length of the pilot channel 17 can be selected to be as short as desired; for example, it can be defined by control and outflow channels 12 ", 14"'' which merge directly into one another, as is shown in FIG. 2.
  • the third quantity amplifier 2 '' ' practically represents a pilot control quantity amplifier which is used for the pilot control of the second quantity amplifier 2 ". Its inflow channel 13' '' is connected to a pressure source P which is connected to that of the inflow channel 13" of the second Quantity amplifier 2 "can be identical.
  • the control channel 12 '' 'of the third quantity amplifier 2' '' is connected to the control channel 12 'of the first quantity amplifier 2'. Uniform control pressurization of the two control channels 12 '' ', 12 "is thus possible.
  • control pressure is expediently controlled by at least one micromechanical control valve 18 produced in a multi-layer construction.
  • this is designed as a 3/2-way switching valve and is produced by conventional microstructuring processes.
  • a possible structure is explained in EP 0 485 739 AI, to which reference is hereby made, so that details of the structure can be dispensed with.
  • the actuation of the control valve 18 is triggered electrically, for which purpose it is via has suitable actuators, for example those based on an electrostatic principle.
  • the output 22 of the control valve 18 communicates with the control channels 12 ', 12' '' of the first and third quantity amplifiers 2 ', 2' ''.
  • the control valve 18 is connected to a control pressure source X and a pressure sink R, for example formed by the atmosphere.
  • the control valve 18 is expediently designed as a component of the quantity amplifier device 1 'and is combined with the amplifier unit 16 to form a structural unit which can be seen in FIGS. 2 and 3. This enables particularly small dimensions with short fluid paths and correspondingly high efficiency.
  • Control valve 18 has its outlet 22 vented, so that the two control channels 12 ', 12''' of the first and third quantity amplifiers 2 ', 2''' are depressurized. Therefore, the third quantity amplifier 2 ' 1 ' switches through and there is a pressure on the control channel 12 "of the second quantity amplifier 2" which shifts the assigned control membrane 6 "into the closed position. At the same time, the control membrane 6 'of the first quantity amplifier 2' can Take open position so that the working channel A can be vented via the inflow channel 13 ', the overflow chamber 8' and the outflow channel 14 'of the first quantity amplifier 2'.
  • control channel 12 So that the control membrane 6 "of the second quantity amplifier 2" can switch to the open position when the third quantity amplifier 2 '' 'is closed, the control channel 12 "assigned to it is connected to a ventilation channel 23 leading to a pressure sink R. The latter communicates when it is switched off. leadership example with the pilot channel 17.
  • the vent channel 23 enables a pressure drop at the control channel 12 "and accordingly the switching of the control membrane 6" into the open position.
  • the ventilation duct 23 can be a constantly open connection to the atmosphere or pressure sink R, the cross section of which is so small that there is sufficient flow resistance to avoid an excessive pressure drop and high fluid losses when the control pressure is applied to the pilot duct 17.
  • the flow resistance should not be too low, so that the pilot channel 17 is quickly vented when the pilot quantity amplifier is shut off and the assigned second quantity amplifier 2 "has a good response behavior.
  • a shut-off valve 24 which can be switched in particular by means of electrical signals, and which is expediently designed as a 2/2-way switching valve, is switched into the venting channel 23 ". It normally shuts off the venting channel 23 'and, in the actuated state, provides the connection between the pilot channel 17 or the control channel 12 "and the pressure sink R, whereby a sufficiently large diameter can be selected in order to bring about an instantaneous drop in pressure.
  • a "normally open” characteristic can also be implemented, which creates an open fluid connection between the working channel A and the pressure source R in the case of unpressurized control channels 12 ', 12''' . All that is required for this is to interchange the connection configuration of the outflow duct 14 "of the first quantity amplifier 2 'and the inflow duct 13" of the second quantity amplifier 2 ". This is indicated in FIG. 4 by the designations” R “and” P "in parentheses.
  • the integration of the three quantity amplifiers 2 ', 2 ", 2 1 ' 1 in the quantity amplifier device 1 'according to FIGS. 2 to 4 preferably takes place with simultaneous assignment of one or more laminate bodies 3, 4 to different quantity amplifiers.
  • the quantity amplifier device 1' the realization of the amplifier unit 16 using only three layered bodies 25 lying one on top of the other, which keeps the manufacturing effort low.
  • one of the quantity amplifiers 2 - in the present case the third quantity amplifier 2 ' 1 ' - is arranged in a first amplifier level 26, while the other two quantity amplifiers - in the present case the first and second quantity amplifiers 2 ', 2 "- are arranged together in a second amplifier level
  • the two amplifier levels 26, 27 extend parallel to the layer levels and are arranged one on top of the other in the normal direction. In the illustration and alignment of the quantity amplifier device 1 'shown, the first amplifier level 26 lies above the second amplifier level 27.
  • the two upper laminates 25 which are vertically adjacent to one another in the exemplary embodiment form the two laminates 3 ′′, 4 ′′ ′′ of the third quantity amplifier 2 ′′.
  • the middle laminate 25 forms the respective first laminate 3 ′, 3 ′′ of the first and second quantity Strengthener 2 ', 2 "and the lower laminate 25 of the amplifier unit 16 in the unit represents the second laminate 4', 4" of the first and second quantity amplifier 2 ', 2 ".
  • the laminate 3', 3"; Executing 4 ', 4 "of the first and second quantity amplifiers 2', 2" separately is advisable for the sake of simpler manufacture by simultaneous processing, the one-piece combination in each case in one and the same laminate.
  • the control valve 18 is physically combined with the amplifier unit 16 to form a structural unit 28. In the exemplary embodiment, it is placed next to the amplifier unit 16 in the direction of the layer planes. Since the control valve 18 also has a multi-layer structure, it is advisable to arrange its individual layer bodies 32 with a parallel layer orientation, and in particular such that a layer body 25 of the amplifier unit 16 runs in the same plane with a layer body 32 of the control valve 18. In the exemplary embodiment, this is realized, the control valve 18 having a three-layer structure comparable to the amplifier unit 16. In this context, a further expedient design is given when the layer bodies 25, 32 of the amplifier unit 16 and the control valve 18 lying in a common layer plane are formed integrally with one another and can therefore be produced together. This also greatly simplifies the assembly of the quantity booster device 1 'and it is possible to avoid sealing points on the joining areas.
  • control valve 18 instead of a control valve 18 with a 3/2 switching function, two 2/2 switching valves could also be provided, for example.
  • the above-mentioned structural unit 28 could be supplemented by a ventilation unit 33 - indicated by dash-dotted lines in FIG. 3 - in which the ventilation channel 23, 23 'and in particular, a shut-off valve 24, if present, is also arranged.
  • the venting unit 33 could easily have a layer structure comparable to the control valve 18 and, accordingly, could be coupled to the layer bodies 25, 32 of the amplifier unit 16 and / or the control valve 18 or could be made in one piece.
  • the two large-area outer surfaces of the two outer layer bodies 25, 32 of the structural unit 28 are each covered with a cover layer 34, 34 ', which has fluid channels 35, indicated by dash-dotted lines, which can be used to produce internal and external connections.
  • a cover layer 34, 34 ' which has fluid channels 35, indicated by dash-dotted lines, which can be used to produce internal and external connections.
  • at least one of the cover layers 34, 34 ' contains connection openings (not shown in any more detail) which enable the connection to further fluid channels which lead to a pressure source, a pressure sink or one or more consumers.

Abstract

The invention relates to a liquid flow amplification device comprising at least one micromechanic, fluidically regulated, flow amplifier (2) produced in a microstructuring process. The amplifier consists of a chamber defined by two stratified compacts (3, 4), whereby said chamber is sub-divided by means of a movable control membrane (6). Fluidic regulation enables the control membrane (6) to be shifted between an open position and a closed position wherein it controls the junction between the feed channel (13) and the discharge channel (14).

Description

MengenverstärkereinrichtuncT für Fluidströme Quantity amplifier device for fluid flows
Beschreibungdescription
Auf dem Sektor der fluidischen MikroSteuerungstechnik sind durch Mikrostrukturierungsverfahren hergestellte Mikroventile bekannt, die die Steuerung kleiner und kleinster Fluidströme ermöglichen. Die EP 0 485 739 AI beschreibt eine mögliche Bauform für ein derartiges Mikroventil, wobei eine aus einem Silizium-Träger herausstrukturierte Ventilplatte durch elektrostatische Aktoren betätigt werden kann, um eine Fluidströ- mung zu steuern.In the fluidic microcontroller technology sector, microvalves produced by microstructuring processes are known which enable the control of small and very small fluid flows. EP 0 485 739 A1 describes a possible design for such a microvalve, wherein a valve plate structured out of a silicon carrier can be actuated by electrostatic actuators in order to control a fluid flow.
Nachteilig bei dem bekannten Mikroventil ist der begrenzte steuerbare Fluiddurchsatz . Bedingt durch die elektrostatischen Aktoren kann ein nur geringer Hub der Ventilplatte realisiert werden, was die zur Verfügung stellbaren Strömungs- querschnitte begrenzt. Zur Steuerung von Fluidströmen größe- ren Durchsatzes muß daher meist auf konventionelle Ventil- technik zurückgegriffen werden, was entsprechend größere Bauvolumina zur Folge hat .A disadvantage of the known microvalve is the limited controllable fluid throughput. Due to the electrostatic actuators, only a small stroke of the valve plate can be realized, which limits the available flow cross sections. Conventional valve technology must therefore usually be used to control fluid flows with a higher throughput, which results in correspondingly larger construction volumes.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Möglichkeiten zu schaffen, die auch auf dem Sektor der fluidischen Mikro- steuerungstechnik die Steuerung von Fluidströmen größerer Strömungsraten gestattet .It is the object of the present invention to create possibilities which also allow the control of fluid flows of higher flow rates in the field of fluidic micro-control technology.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Mengenverstärkereinrich- tung für Fluidströme, die mindestens einen durch Mikrostrukturierungsverfahren hergestellten, fluidgesteuerten mikromechanischen Mengenverstärker enthält, der eine durch zwei Schichtkörper begrenzte Kammer aufweist, die von einer beweglichen Steuermembran in einen mit einem Steuerkanal kommunizierenden Steuerraum und einen mit einem Zuströmkanal und einem Abströmkanal kommunizierenden Überströmraum unterteilt ist, wobei die Steuermembran in Abhängigkeit von dem am Steuerkanal anstehenden Steuerdruck in eine den Zuströmkanal und den Abströmkanal verschließende Schließstellung oder eine diese beiden Kanäle freigebende und damit ein Überströmen von Fluid zwischen dem Zuεtrömkanal und dem Abströmkanal ermögli- chende Offenstellung bewegbar ist.This object is achieved with a quantity amplifier device for fluid streams which contains at least one fluid-controlled micromechanical quantity amplifier produced by microstructuring processes, one by two Laminated body has a chamber which is subdivided by a movable control membrane into a control chamber communicating with a control channel and an overflow chamber communicating with an inflow channel and an outflow channel, the control membrane depending on the control pressure applied to the control channel into a closed position closing the inflow channel and the outflow channel or an open position releasing these two channels and thus allowing fluid to flow over between the inflow channel and the outflow channel can be moved.
Mit einer derartigen Mengenverstärkereinrichtung lassen sich Mikrobauweisen einerseits und die Steuerung großer Fluidmen- gen andererseits in vorteilhafter Weise kombinieren. Der Kern der Mengenverstärkereinrichtung ist im einfachsten Fall von einem mikromechanischen Mengenverstärker in Membranbauweise gebildet, der durch beliebige Mikrostrukturierungstechnologi- en hergestellt werden kann. Als Steuerelement kommt eine Steuermembran zum Einsatz, die zumindest partiell über biege- flexible Eigenschaften verfügt und deren momentane Schalt-With such a quantity amplifier device, micro-construction methods on the one hand and the control of large quantities of fluid on the other hand can be combined in an advantageous manner. In the simplest case, the core of the quantity amplifier device is formed by a micromechanical quantity amplifier in membrane construction, which can be produced by any microstructuring technology. A control membrane is used as the control element, which at least partially has flexible properties and whose instantaneous switching
Stellung durch den am Steuerkanal angelegten Steuerdruck vorgegeben werden kann. Bei Anliegen eines ausreichend hohen Steuerdruckes am Steuerkanal wird die Steuermembran dicht an die Mündungen des Zuströmkanales und des Abströmkanales ange- drückt, so daß die Verbindung zwischen diesen beiden Kanälen abgesperrt ist. Der ausreichende hohe Steuerdruck kann beispielsweise durch die Wahl eines geeigneten Steuerdruckniveaus oder durch geeignete Flächenunterschiede der Steuermembran erzielt werden. Bei entferntem oder in geeigneter Weise reduziertem Steuerdruck hebt die Steuermembran von den vorerwähnten Mündungen ab, so daß ein am Zuströmkanal anstehendes Fluid, beispielsweise Druckluft, durch den Überströmraum hindurch zum Abströmkanal überströmen kann. Die über den fluidischen und vorzugsweise pneumatischen Steuerdruck verursachte Betätigung der Steuermembran gestattet dabei die Realisierung relativ großer Schaltwege und dementsprechend die Bereitstellung großer Strömungsquerschnitte in der Offenstellung, so daß mit einer geringen Menge an Steuerfluid trotz Mikrobauweise große Mengen an Arbeitsfluid gesteuert werden können. Auf dem Sektor der Pneumatik eignet sich die Mengenverstärkereinrichtung außer für Überdruckanwendungen ebenso für Va- kuumanwendungen.Position can be specified by the control pressure applied to the control channel. When a sufficiently high control pressure is applied to the control channel, the control membrane is pressed tightly against the mouths of the inflow channel and the outflow channel, so that the connection between these two channels is shut off. The sufficiently high control pressure can be achieved, for example, by choosing a suitable control pressure level or by suitable surface differences in the control membrane. When the control pressure is removed or reduced in a suitable manner, the control membrane lifts off the aforementioned orifices, so that a fluid present at the inflow channel, for example compressed air, can flow through the overflow space to the outflow channel. The actuation of the control membrane, which is caused by the fluidic and preferably pneumatic control pressure, allows the realization of relatively large switching paths and accordingly the provision of large flow cross sections in the open position, see above da ß large amounts of working fluid can be controlled with a small amount of control fluid despite micro-design. In the pneumatics sector, the volume booster device is suitable for vacuum applications as well as for overpressure applications.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous developments of the invention emerge from the subclaims.
Die Herstellung der Mengenverstärkereinrichtung und der zu dieser gehörenden Mengenverstärker ist prinzipiell mit allen relevanten Mikrostrukturierungsverfahren möglich. Nur beispielhaft sei die Herstellung in Siliziumtechnologie oder durch Abformtechnik genannt. Die Steuermembran kann separat gefertigt und anschließend durch Klebeverbindung an denThe production of the quantity amplifier device and the quantity amplifier belonging to it is possible in principle with all relevant microstructuring methods. The production using silicon technology or by means of impression technology is only an example. The control membrane can be manufactured separately and then attached to the
Schichtkörpern fixiert sein, daneben wäre auch eine unmittelbare Anformung zum Beispiel durch Aufschleudern möglich, nachdem der zugehörigen Schichtkörper erforderlichenfalls zuvor planarisiert worden ist.Laminated bodies to be fixed, in addition, a direct molding, for example by spin coating, would also be possible after the associated laminated body has been planarized beforehand, if necessary.
Ein besonderer Vorteil der Mengenverstärkereinrichtung besteht darin, daß in ihr eine Mehrzahl von mikromechanischen Mengenverstärkern unter geeigneter fluidtechnischer Verknüpfung zusammengefaßt werden kann. Dies gestattet die Realisie- rung kaskadierter Anordnungen oder höherwertiger Ventilfunktionen. Bei einer besonders zweckmäßigen Bauform sind drei mikromechanische Mengenverstärker derart fluidtechnisch miteinander verknüpft, daß sich eine Dreiwege-Ventilschaltfunktion realisieren läßt. Entsprechend der gewählten Ver- knüpfung läßt sich hier problemlos eine CharakteristikA particular advantage of the quantity amplifier device is that a plurality of micromechanical quantity amplifiers can be combined in it with a suitable fluidic connection. This allows the implementation of cascaded arrangements or higher-quality valve functions. In a particularly expedient design, three micromechanical quantity amplifiers are fluidly linked to one another in such a way that a three-way valve switching function can be implemented. A characteristic can easily be set here according to the selected link
"normalerweise geschlossen" ("normally closed") oder "normalerweise offen" ("normally open") realisieren, in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall.Realize "normally closed" or "normally open", depending on the respective application.
Um eine 3/2-Ventilfunktion zu erhalten, verfügt die Mengenverstärkereinrichtung zweckmäßigerweise über zwei Mengenverstärker, die derart miteinander verknüpft sind, daß der Zu- Strömkanal des einen mit dem Abströmkanal des anderen Mengenverstärkers verbunden ist und beide vorgenannten Kanäle mit einem gemeinsamen Arbeitskanal kommunizieren, wobei der Steuerkanal des einen Mengenverstärkers über einen Vorsteuerkanal mit dem Abströmkanal eines zur Vorsteuerung herangezogenen dritten Mengenverstärkers (Vorsteuer-Mengenverstärker) verbunden ist, dessen Steuerkanal mit dem Steuerkanal des anderen Mengenverstärkers der beiden erstgenannten Mengenverstärker kommuniziert. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Vor- steuerkanal mit einem zur Umgebung führenden Entlüftungskanal verbunden ist, der bei abgesperrtem Abströmkanal des Vorsteuer-Mengenverstärkers eine Entlüftung des Vorsteuerkanals gestattet. Hier kann ein ständig offener, mit einem Strömungswiderstand versehener Entlüftungskanal vorgesehen sein, was auch als "Bleed-Resistor" oder "Normleck" bezeichnet werden könnte. Alternativ hierzu könnte auch ein schaltbares Absperrventil vorgesehen sein, dessen Ansteuerung mit der An- εteuerung des Vorsteuer-Mengenverstärkers gekoppelt ist.In order to obtain a 3/2 valve function, the quantity amplifier device expediently has two quantity amplifiers which are linked to one another in such a way that the supply S flow channel of one is connected to the outflow channel of the other quantity amplifier and both of the aforementioned channels communicate with a common working channel, the control channel of one quantity amplifier being connected via a pilot channel to the outflow channel of a third quantity amplifier (pilot quantity amplifier) used for pilot control, the control channel of which communicates with the control channel of the other quantity amplifier of the first two quantity amplifiers mentioned. In this case, it is expedient if the pilot channel is connected to a vent channel leading to the surroundings, which allows the pilot channel to be vented when the outflow channel of the pilot quantity amplifier is blocked. Here, a constantly open ventilation channel provided with a flow resistance can be provided, which could also be referred to as a "bleed resistor" or "standard leak". As an alternative to this, a switchable shut-off valve could also be provided, the actuation of which is coupled to the actuation of the pilot quantity amplifier.
Zur Ansteuerung mindestens eines und vorzugsweise einer Gruppe von Mengenverstärkern verfügt die Mengenverstärkereinrichtung zweckmäßigerweise über wenigstens ein in Mehrschichtenbauweise ausgeführtes mikromechanisches Steuerventil, das dem Steuerkanal wenigstens eines Mengenverstärkers zugeordnet ist, um dessen Steuerdruckbeaufschlagung und somit die Druckbeaufschlagung des oder der angeschlossenen Steuerräume zu beeinflussen. Da der mikromechanische Mengenverstärker seitens des Steuerkanals mit nur geringen Fluidmengen beaufschlagt werden muß, läßt sich hier zur Ansteuerung bzw. Vor- Steuerung ein übliches Mikroventil mit elektrischer Aktuie- rung einsetzen. Eine mögliche Bauform für ein Steuerventil gibt die EP 0 485 739 AI wieder, wobei zweckmäßigerweise entweder ein 3/2-Wegeventil oder zwei 2/2-Ventile eingesetzt werden könnten.To control at least one and preferably a group of quantity boosters, the quantity booster device expediently has at least one micromechanical control valve which is constructed in a multi-layer construction and which is assigned to the control channel of at least one quantity booster in order to influence its control pressure and thus the pressure of the connected control room or rooms. Since only small amounts of fluid have to be applied to the micromechanical quantity amplifier on the part of the control channel, a conventional microvalve with electrical actuation can be used for control or pre-control. A possible design for a control valve is given in EP 0 485 739 AI, whereby either a 3/2-way valve or two 2/2-valves could expediently be used.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung verfügt die Mengenverstärkereinrichtung über eine Baueinheit, in der min- destens ein mikromechanischer Mengenverstärker und mindestens ein mikromechanisches Steuerventil zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind. Hier ist vor allem auch eine besonders günstige Herstellung möglich, da die verschiedenen Schichtkörper des oder der Mengenverstärker und des oder der Steuerventile zumindest teilweise als bauliche Einheit ausgeführt und hierzu gemeinsam prozessiert werden können.In a particularly advantageous embodiment, the quantity amplifier device has a structural unit in which at least one micromechanical quantity amplifier and at least one micromechanical control valve are combined to form one structural unit. Above all, a particularly favorable production is possible here, since the various laminated bodies of the quantity booster (s) and of the control valve (s) can at least partially be designed as a structural unit and can be processed together for this purpose.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich- nung näher erläutert. In dieser zeigen-.The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. In this show-.
Figur 1 eine erste Bauform der erfindungsgemäßen Mengenverstärkereinrichtung, enthaltend einen einzigen mi- kromechanischen Mengenverstärker, der im Quer- schnitt abgebildet ist, wobei die Steuermembran in der Schließstellung gezeigt ist und ergänzend strichpunktiert ihre Offenstellung angedeutet ist,FIG. 1 shows a first design of the quantity amplifier device according to the invention, containing a single micro-mechanical quantity amplifier, which is shown in cross section, the control membrane being shown in the closed position and its open position additionally indicated by dash-dot lines.
Figur 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mengenverstärkereinrichtung, die über drei zu einerFigure 2 shows a further embodiment of the quantity amplifier device according to the invention, the three to one
3/2-Schaltfunktion verknüpfte Mengenverstärker und ein zur Ansteuerung dienendes mikromechanisches Steuerventil verfügt, wobei die Gesamtanordnung zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist und strichpunk- tiert zusätzliche Deckschichtkörper angedeutet sind, in denen verbindende Fluidkanäle verlaufen können, das Ganze im Schnitt rechtwinkelig zu den Ausdehnungsebenen der einzelnen Schichten,3/2-switching function linked quantity amplifier and a micromechanical control valve serving for control has, the overall arrangement is combined to form a structural unit and dash-dotted lines indicate additional cover layer bodies in which connecting fluid channels can run, the whole on average at right angles to the expansion planes of the individual Layers,
Figur 3 die Membranverstärkereinrichtung gemäß Figur 2 in einem Schnitt parallel zur Ausdehnungsebene der Schichten gemäß Schnittlinie IV-IV, wobei strichpunktiert ein optionaler Ergänzungsbestandteil dargestellt ist, der ein nicht näher gezeigtes, einem Entlüftungskanal zugeordnetes schaltbares Absperrventil enthält, und Figur 4 eine schematische Darstellung des Aufbaues und der internen fluidtechnischen Verknüpfung der einzelnen Bestandteile der Mengenverstärkereinrichtung gemäß Figuren 2 und 3.3 shows the membrane amplifier device according to FIG. 2 in a section parallel to the plane of expansion of the layers according to section line IV-IV, with an optional supplementary component being shown in dash-dot lines, which contains a switchable shut-off valve (not shown in greater detail) which is assigned to a ventilation channel, and FIG. 4 shows a schematic representation of the structure and the internal fluidic connection of the individual components of the quantity booster device according to FIGS. 2 and 3.
Beginnend mit Figur 1 ist eine Mengenverstärkereinrichtung 1 gezeigt, die über einen einzigen fluidgesteuerten mikromechanischen Mengenverstärker 2 verfüg . Dieser Mengenverstärker 2 ist durch ein beliebiges geeignetes Mikrostrukturierungsver- fahren in Schichtbauweise hergestellt .Starting with FIG. 1, a quantity amplifier device 1 is shown which has a single fluid-controlled micromechanical quantity amplifier 2. This quantity amplifier 2 is produced by any suitable microstructuring method in a layered construction.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt der Mengenverstärker 2 zwei mit zueinander parallelen Ausdehnungsebenen in Normalenrichtung dieser Ausdehnungsebenen nebeneinander angeordnete Schichtkörper 3, 4, die in Siliziumtechnik hergestellt sind. Die Schichtkörper 3, 4 begrenzen zwischen sich eine zum Beispiel durch Ätzung eingeformte Kammer 5, in der eine beispielsweise aus Kunststoffmaterial bestehende, wenig- stens partiell biegeflexible oder zumindest biegeflexibel aufgehängte Steuermembran 6 angeordnet ist .In the exemplary embodiment shown, the quantity amplifier 2 comprises two layer bodies 3, 4 which are arranged next to one another and have mutually parallel expansion planes in the normal direction of these expansion planes and are produced using silicon technology. The laminated bodies 3, 4 delimit between them a chamber 5, for example formed by etching, in which is arranged a control membrane 6, for example made of plastic material, which is at least partially flexible or at least flexibly suspended.
Die Steuermembran 6 ist randseitig im Verbindungsbereich zwischen den beiden Schichtkörpern 3, 4 festgelegt und unter- teilt die Kammer 5 in einen dem einen Schichtkörper 3 zugewandten Steuerraum 7 und einen dem anderen Schichtkörper 4 zugewandten Überströmraum 8. Alternativ könnte die Steuermembran auch ohne randseitige Befestigung frei beweglich ausgeführt sein.The control membrane 6 is fixed on the edge in the connection area between the two laminated bodies 3, 4 and divides the chamber 5 into a control chamber 7 facing one laminated body 3 and an overflow space 8 facing the other laminated body 4. Alternatively, the control membrane could also be free without an attachment on the edge be designed to be movable.
Der zwischen der Steuermembran 6 und dem einen, ersten Schichtkörper 3 definierte Steuerraum 7 kommuniziert mit einem Steuerkanal 12, der den ersten Schichtkörper 3 durchsetzt und gegenüberliegend der Steuermembran 6 in den Steuerraum 7 ausmündet . Der Überεtrömraum 8 kommuniziert mit einem Zuströmkanal 13 und einem Abströmkanal 14. Diese beiden Kanäle durchsetzen den anderen, zweiten Dichtkörper 4 und münden gegenüberliegend der Steuermembran 6 in den Überströmraum 8 ein.The control chamber 7 defined between the control membrane 6 and the one, first laminate 3 communicates with a control channel 12 which penetrates the first laminate 3 and opens out into the control chamber 7 opposite the control membrane 6. The overflow space 8 communicates with an inflow channel 13 and an outflow channel 14. These two channels penetrate the other, second sealing body 4 and open opposite the control membrane 6 into the overflow space 8.
Die Steuermembran 6 ist rechtwinkelig zu ihrer parallel zu den Schichtebenen verlaufenden Ausdehnungsebene gemäß Doppelpfeil 15 in der Kammer 5 beweglich. Hierzu kann sie insgesamt biegeelastisch ausgeführt sein und über eine beim Ausfüh- rungsbeispiel vorhandene folienartige Struktur verfügen.The control membrane 6 can be moved in the chamber 5 at right angles to its plane of expansion running parallel to the layer planes, in accordance with the double arrow 15. For this purpose, it can be designed to be flexurally elastic overall and have a film-like structure that is present in the exemplary embodiment.
Denkbar wäre aber auch eine eher starres Mittelteil, das über biegeflexible und beispielsweise armähnlich ausgeführte Aufhängungsbereiche an den Schichtkörpern 3, 4 festgelegt ist.However, a rather rigid middle part would also be conceivable, which is fixed to the laminated bodies 3, 4 by means of suspension regions that are flexible and, for example, arm-like.
Jedenfalls läßt sich die Steuermembran 6 durch die erwähnten Bewegungsmöglichkeiten zwischen einer in Figur 1 in durchgezogenen Linien dargestellten Schließstellung und einer strichpunktiert dargestellten Offenstellung bewegen. In der Schließstellung überdeckt sie die dem Überströmraum 8 zuge- wandten Mündungen des Zuströmkanals 13 und des Abströmkanals 14, so daß diese beiden Kanäle vom Überströmraum 8 abgetrennt sind. Dabei ist die Steuermembran 6 von der Mündung des Steuerkanals 12 abgehoben, der demzufolge mit dem Steuerraum 7 kommuniziert. In der Offenstellung deckt die Steuermembran 6 die Mündung des Steuerkanals 12 ab und gibt gleichzeitig die Mündungen von Zuströmkanal 13 und Abströmkanal 14 frei, die somit beide mit dem Überströmraum 8 verbunden sind.In any case, the control membrane 6 can be moved between the closed position shown in solid lines in FIG. 1 and an open position shown in broken lines by the movement options mentioned. In the closed position, it covers the mouths of the inflow channel 13 and the outflow channel 14 facing the overflow chamber 8, so that these two channels are separated from the overflow chamber 8. The control membrane 6 is lifted from the mouth of the control channel 12, which consequently communicates with the control chamber 7. In the open position, the control membrane 6 covers the mouth of the control channel 12 and simultaneously releases the mouths of the inflow channel 13 and outflow channel 14, which are thus both connected to the overflow space 8.
In einer möglichen Betriebsweise steht der Zuströmkanal 13 mit einer Druckquelle Y - vorzugsweise einer Druckluftquelle - in Verbindung und der Abströmkanal 14 führt zu einem Verbraucher Z. Der Steuerkanal 12 ist gesteuert mit einer Steuerdruckquelle X verbindbar, wobei die momentane Stellung der Steuermembran 6 von dem am Steuerkanal anstehenden Steuer- druck abhängt . In der Regel wird der am Zuströmkanal 13 anstehende Druck dem am Steuerkanal 12 anlegbaren Druck entsprechen, da beide Kanäle aus der gleichen Fluidquelle gespeist werden können.In one possible mode of operation, the inflow channel 13 is connected to a pressure source Y - preferably a compressed air source - and the outflow channel 14 leads to a consumer Z. The control channel 12 can be connected in a controlled manner to a control pressure source X, the current position of the control membrane 6 being dependent on that Control channel depends on the existing control pressure. As a rule, the pressure at the inflow channel 13 will correspond to the pressure that can be applied at the control channel 12, since both channels can be supplied from the same fluid source.
Steht am Steuerkanal 12 ein unter einem ausreichenden Steuerdruck stehendes Fluid an, wird die vorliegend als leichte Folie ausgeführte Steuermembran 6 aufgrund der Flächenunterschiede dicht über die Mündungen der Kanäle 13, 14 gelegt, so daß der Verbraucher Z von der Druckquelle Y abgesperrt ist . Ein Entfernen des Steuerdruckes am Steuerkanal 12 führt dazu, daß das am Zuströmkanal 13 anstehende Fluid die Steuermembran 16 von der zugeordneten Mündung abheben und in Richtung zum ersten Schichtkörper 3 verlagern kann. Dabei hebt die Steuermembran 6 auch von der Mündung des Abströmkanals 14 ab und das von der Druckquelle Y stammende Fluid kann durch den Überströmraum 8 hindurch zum Verbraucher Z abströmen.If there is a fluid at a sufficient control pressure at the control channel 12, the control membrane 6, which is in the form of a light film, is placed close over the mouths of the channels 13, 14 due to the area differences, so that the consumer Z is shut off from the pressure source Y. Removing the control pressure at the control channel 12 means that the fluid present at the inflow channel 13 can lift the control membrane 16 from the assigned mouth and can move it in the direction of the first laminate 3. The control membrane 6 also lifts from the mouth of the outflow channel 14 and the fluid originating from the pressure source Y can flow out to the consumer Z through the overflow space 8.
Die Steuermembran 6 ist somit fluidisch und insbesondere pneumatisch angesteuert. Dies gestattet die Realisierung gro- ßer Membranhübe in Bewegungsrichtung 15 und dementsprechend in der Offenstellung die Gewährleistung großer Strömungsquerschnitte. Mit nur geringen Durchflußwerten seitens des Steuerkanals 12 können somit große Durchflußwerte seitens des Zu- strömkanals 13 und des Abströmkanals 14 gesteuert und ein an- geschlossener Verbraucher somit trotz Mikrobauweise mit hohen Strömungsraten versorgt werden.The control membrane 6 is thus controlled fluidically and in particular pneumatically. This allows large diaphragm strokes to be realized in the direction of movement 15 and, accordingly, in the open position to ensure large flow cross sections. With only low flow values on the part of the control channel 12, large flow values on the part of the inflow channel 13 and the outflow channel 14 can thus be controlled and a connected consumer can thus be supplied with high flow rates despite the micro-construction.
Somit liegt ein mikromechanischer Mengenverstärker in Membranbauweise vor, der sich vor allem in mikropneumatischen Anwendungen optimal zur Steuerungen von Fluidströmen einsetzen läßt. Dabei kann er für sich allein verwendet werden oder auch in Kombination mit weiteren gleichartigen Mengenverstärkern, um Mengenverstärkereinrichtungen zu erhalten, die komplexere Verstärkerschaltungen ermöglichen. Ein mögliches Aus- führungsbeiεpiel für eine derartige Mehrfachanordnung wird später anhand der Figuren 2 bis 4 erläutert. Bei einer möglichen Herstellungsart des Mengenverstärkers 2 werden die beiden Schichtkörper 3, 4 in Siliziumtechnik prozessiert. So kann im Falle des zweiten Schichtkörpers 4 aus- gehend von einem Siliziumwaver zunächst der Überströmraum 8 durch ein Ätzverfahren herausstrukturiert werden. Die Vertiefung wird anschließend mit einem Resiεt aufgefüllt und plana- risiert. Darauf wird aus Kunststoffmaterial die Steuermembran 6 aufgeschleudert . Anschließend werden der Zuströmkanal 13 und der Abströmkanal 14 herausεtrukturiert und durch diese Kanäle hindurch der Resiεt entfernt, εo daß eine Einheit be- εtehend aus dem zweiten Schichtkörper 4 und der Steuermembran 6 vorliegt. Abschließend ist nur noch der ebenfalls auε einem Siliziumwaver εtrukturierte erεte Schichtkörper 3 in geeigne- ter Weise aufzukleben.There is thus a micromechanical quantity amplifier in membrane design, which can be used optimally for controlling fluid flows, particularly in micropneumatic applications. It can be used alone or in combination with other similar quantity amplifiers in order to obtain quantity amplifier devices that enable more complex amplifier circuits. A possible embodiment for such a multiple arrangement will be explained later with reference to FIGS. 2 to 4. In one possible way of producing the quantity amplifier 2, the two layer bodies 3, 4 are processed using silicon technology. Thus, in the case of the second layer body 4, the overflow space 8 can first be patterned out by an etching process, starting from a silicon wafer. The depression is then filled with a resist and planarized. The control membrane 6 is hurled onto it from plastic material. Subsequently, the inflow channel 13 and the outflow channel 14 are structured and the resist is removed through these channels, so that a unit consisting of the second laminate 4 and the control membrane 6 is present. Finally, only the first laminate 3, which is also structured from a silicon wafer, has to be glued on in a suitable manner.
Es versteht sich, daß auch andere Mikrostrukturierungsverfah- ren bei der Herεtellung zur Anwendung gelangen können. So könnten die Schichtkörper 3, 4 beiεpielsweise aus Kunststoff- material bestehen und die Steuermembran 6 könnte auf der Ba- εiε von Siliziummaterial hergeεtellt sein, beispielεweise in Gestalt eines weiteren zwischengefügten Schichtkörpers .It goes without saying that other microstructuring methods can also be used in the production. For example, the laminated bodies 3, 4 could be made of plastic material and the control membrane 6 could be made on the basis of silicon material, for example in the form of a further interposed laminated body.
Soweit zur Abdichtung der Kanalmündungen Dichtsitze erforder- lieh sind, können diese nach Wahl an den Schichtkörpern 3, 4 und/oder an der Steuermembran 6 vorgesehen werden.If sealing seats are required to seal the channel openings, these can be provided on the laminated bodies 3, 4 and / or on the control membrane 6, as desired.
Die Mengenverstärkereinrichtung läßt sich allgemein überall dort einsetzen, wo kleine Durchflüsse verstärkt werden sol- len, beispielsweise im Zusammenhang mit pneumatischen Meßtastern oder als fluidisch betätigtes Ventil. Die Aufhängung der Steuermembran 6 kann ein oder mehrseitig erfolgen, es ist sowohl ein fluidundurchlässiger als auch ein fluiddurchlässi- ger Aufbau möglich. Insgesamt iεt die Werkstoffauswahl des Mengenverstärkers in weiten Grenzen möglich, wobei außer Silizium und Polymer auch zum Beispiel amorphe Metalle oder Werkstoffkombinationen zur Anwendung gelangen können. Es wäre auch denkbar, den Mengenverstärker 2 zusätzlich mit einem Mikroaktor auszustatten, der zusätzlich zur fluidbetä- tigten Umschaltung der Steuermembran in beliebiger Abstimmung hierzu eingesetzt werden kann. Im Rahmen deε Grundprinzipε des Mengenverstärkers sind vielfältige Ausgeεtaltungen denkbar.The quantity amplifier device can generally be used wherever small flows are to be amplified, for example in connection with pneumatic measuring probes or as a fluid-operated valve. The control membrane 6 can be suspended on one or more sides; both a fluid-impermeable and a fluid-permeable structure are possible. Overall, the material selection of the quantity booster is possible within wide limits, whereby in addition to silicon and polymer, for example, amorphous metals or material combinations can also be used. It would also be conceivable to additionally equip the quantity amplifier 2 with a microactuator which, in addition to the fluid-actuated switching of the control membrane, can be used for this purpose in any configuration. A variety of configurations are conceivable within the framework of the basic principle of the quantity amplifier.
Das in den Figuren 2 bis 4 gezeigte weitere Ausführungsbei- spiel einer Mengenverstärkereinrichtung 1' zeichnet sich durch das Vorhandensein mehrerer zu einer Verstärkereinheit 16 zusammengefaßter und fluidtechnisch miteinander verknüpfter mikromechanischer Mengenverεtärker 2 aus . Das konkrete Ausführungsbeiεpiel verfügt über inεgeεamt drei Mengenver- stärker 2, die zur beεseren Unterscheidung mit Bezugsziffern 21, 2" und 2''' bezeichnet sind. Die fluidische Verschaltung ist beispielsgemäß so realisiert, daß eine über einer einfachen Zweiwege-Schaltfunktion liegende höherwertige Ventilfunktion erzeugt wird, bei der es sich im vorliegenden Fall um eine 3/2-Schaltfunktion handelt.The further exemplary embodiment of a quantity amplifier device 1 'shown in FIGS. 2 to 4 is distinguished by the presence of a plurality of micromechanical quantity amplifiers 2 which are combined to form an amplifier unit 16 and are fluidically linked to one another. The specific exemplary embodiment has a total of three volume boosters 2, which are identified by reference numerals 2 1 , 2 "and 2"'' for better distinction. The fluidic connection is implemented, for example, in such a way that a higher-value valve function is located above a simple two-way switching function is generated, which in the present case is a 3/2 switching function.
Zunächst sei anhand der Figur 4 der grundsätzliche schaltungstechnische Aufbau einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsweise erläutert.First of all, the basic circuitry structure of a particularly advantageous embodiment will be explained with reference to FIG.
Demnach enthält die Mengenverstärkereinrichtung l1 einen ersten Mengenverstärker 2 ' und einen zweiten Mengenverstärker 2", die derart miteinander verknüpft sind, daß der Zuströmkanal 13 ' des ersten Mengenverstärkers 2 ' mit dem Abströmkanal 14" des zweiten Mengenverstärkers 2" verbunden ist. Diese beiden Kanäle 13', 14" kommunizieren darüber hinaus mit einem gemeinsamen Arbeitskanal A, der mit einem zu betreibenden Verbraucher verbindbar ist, beispielεweise mit einem pneumatischen Miniaturzylinder. Der Zuströmkanal 13" des zweiten Mengenverstärkers 2" steht mit einer Druckquelle P in Verbindung, die ein unter einem Arbeitsdruck stehendes fluidisches Druckmedium liefert.Accordingly, the quantity amplifier device l 1 contains a first quantity amplifier 2 'and a second quantity amplifier 2 ", which are linked to one another in such a way that the inflow channel 13' of the first quantity amplifier 2 'is connected to the outflow channel 14" of the second quantity amplifier 2 ". These two channels 13 ', 14 "also communicate with a common working channel A, which can be connected to a consumer to be operated, for example with a pneumatic miniature cylinder. The inlet channel 13 'of the second set amplifier 2' is connected to a pressure source P in compound which provides a rbeitsdruck A under a stationary fluid pressure medium.
Der Abεtrömkanal 14 ' des erεten Mengenverεtärkers 2 steht mit einer Druckεenke R in Verbindung, beiεpielεweise mit der Atmosphäre .The Abεtrömkanal 14 'of the erεten Mengenverεtärkers 2 communicates with a Druckεenke R in compound beiεpielεweise with the atmosphere.
Der Steuerkanal 12" des zweiten Mengenverstärkers 2" ist über einen VorSteuerkanal 17 an den Abströmkanal 14 ' ' ' des dritten Mengenverstärkers 2I , ! angeschloεsen. Dabei ist die Länge des VorSteuerkanals 17 beliebig kurz wählbar, er kann beispielε- weiεe durch unmittelbar ineinander übergehende Steuer- und Abεtrömkanäle 12", 14 ' ' ' definiert sein, wie dies in Figur 2 zum Ausdruck kommt.The control channel 12 "of the second quantity amplifier 2" is connected via a pilot control channel 17 to the outflow channel 14 '''of the third quantity amplifier 2 I,! connected. The length of the pilot channel 17 can be selected to be as short as desired; for example, it can be defined by control and outflow channels 12 ", 14"'' which merge directly into one another, as is shown in FIG. 2.
Der dritte Mengenverstärker 2''' repräsentiert praktisch einen Vorsteuer-Mengenverstärker, der zur Vorsteuerung des zweiten Mengenverεtärkers 2" herangezogen wird. Sein Zuεtröm- kanal 13 ' ' ' steht mit einer Druckquelle P in Verbindung, die mit derjenigen des Zuεtrömkanals 13" des zweiten Mengenverstärkerε 2" identisch sein kann.The third quantity amplifier 2 '' 'practically represents a pilot control quantity amplifier which is used for the pilot control of the second quantity amplifier 2 ". Its inflow channel 13' '' is connected to a pressure source P which is connected to that of the inflow channel 13" of the second Quantity amplifier 2 "can be identical.
Der Steuerkanal 12 ' ' ' des dritten Mengenverstärkers 2 ' ' ' steht mit dem Steuerkanal 12 ' des ersten Mengenverstärkerε 2 ' in Verbindung. Somit ist eine einheitliche Steuerdruckbeaufschlagung der beiden Steuerkanäle 12 ' ' ' , 12" möglich.The control channel 12 '' 'of the third quantity amplifier 2' '' is connected to the control channel 12 'of the first quantity amplifier 2'. Uniform control pressurization of the two control channels 12 '' ', 12 "is thus possible.
Die vorerwähnte Steuerdruckbeaufschlagung wird zweckmäßiger- weise durch mindestenε ein in Mehrεchichtenbauweiεe hergestelltes mikromechanisches Steuerventil 18 gesteuert. Dieses ist beim Ausführungsbeispiel als 3/2-Schaltventil ausgeführt und durch gängige Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt. Ein möglicher Aufbau wird in der EP 0 485 739 AI erläutert, auf die hiermit verwiesen wird, so daß auf Einzelheiten des Aufbaus verzichtet werden kann. Die Betätigung des Steuerventils 18 wird elektrisch auεgelöεt, zu welchem Zweck eε über geeignete Aktoren verfügt, beispielεweiεe solche auf elektrostatischem Wirkprinzip.The above-mentioned control pressure is expediently controlled by at least one micromechanical control valve 18 produced in a multi-layer construction. In the exemplary embodiment, this is designed as a 3/2-way switching valve and is produced by conventional microstructuring processes. A possible structure is explained in EP 0 485 739 AI, to which reference is hereby made, so that details of the structure can be dispensed with. The actuation of the control valve 18 is triggered electrically, for which purpose it is via has suitable actuators, for example those based on an electrostatic principle.
Der Ausgang 22 des Steuerventils 18 kommuniziert mit den Steuerkanälen 12 ' , 12 ' ' ' des erεten und dritten Mengenverstärkers 2', 2'''. Darüber hinaus steht das Steuerventil 18 mit einer Steuerdruckquelle X und einer zum Beispiel von der Atmosphäre gebildeten Drucksenke R in Verbindung.The output 22 of the control valve 18 communicates with the control channels 12 ', 12' '' of the first and third quantity amplifiers 2 ', 2' ''. In addition, the control valve 18 is connected to a control pressure source X and a pressure sink R, for example formed by the atmosphere.
Das Steuerventil 18 ist zweckmäßigerweise als Bestandteil der Mengenverstärkereinrichtung 1' ausgeführt und zu einer aus Figuren 2 und 3 ersichtlichen Baueinheit mit der Verstärkereinheit 16 zusammengefaßt. Dies ermöglicht besonders geringe Abmessungen mit kurzen Fluidwegen und dementsprechend hohem Wirkungsgrad.The control valve 18 is expediently designed as a component of the quantity amplifier device 1 'and is combined with the amplifier unit 16 to form a structural unit which can be seen in FIGS. 2 and 3. This enables particularly small dimensions with short fluid paths and correspondingly high efficiency.
Durch die in Figur 4 gezeigte Verschaltung ergibt sich eine Mengenverstärkereinrichtung 1', die eine 3/2-Ventilfunktion hervorbringt, welche über eine εogeannte "normally cloεed"- Charakteristik verfügt. In der ersten Schaltstellung desThe interconnection shown in FIG. 4 results in a quantity amplifier device 1 'which produces a 3/2-valve function which has a so-called "normally closed" characteristic. In the first switch position of the
Steuerventils 18 ist desεen Ausgang 22 entlüftet, so daß die beiden Steuerkanäle 12 ' , 12 ' ' ' des erεten und dritten Mengenverεtärkers 2', 2''' drucklos sind. Daher schaltet der dritte Mengenverstärker 2'1' durch und am Steuerkanal 12" des zwei- ten Mengenverεtärkerε 2" εteht ein Druck an, der die zugeordnete Steuermembran 6" in die Schließεtellung verlagert. Gleichzeitig kann die Steuermembran 6 ' des ersten Mengenverstärkers 2' die Offenstellung einnehmen, so daß der Arbeitskanal A über den Zuströmkanal 13 ' , den Überströmraum 8 ' und den Abströmkanal 14' des ersten Mengenverstärkers 2' entlüftet werden kann.Control valve 18 has its outlet 22 vented, so that the two control channels 12 ', 12''' of the first and third quantity amplifiers 2 ', 2''' are depressurized. Therefore, the third quantity amplifier 2 ' 1 ' switches through and there is a pressure on the control channel 12 "of the second quantity amplifier 2" which shifts the assigned control membrane 6 "into the closed position. At the same time, the control membrane 6 'of the first quantity amplifier 2' can Take open position so that the working channel A can be vented via the inflow channel 13 ', the overflow chamber 8' and the outflow channel 14 'of the first quantity amplifier 2'.
Ein Umschalten des Steuerventils 18 in die zweite Schaltstellung hat eine Druckbeaufschlagung der beiden Steuerkanäle 12', 12 ' ' ' mit dem Steuerdruck zur Folge, εo daß die Steu- ermembranen 6 ' , 6 ' ' ' des ersten und dritten Mengenverstärkers 2', 2''' in Schließstellung umschalten. Somit wird der Ar- beitskanal A von der Drucksenke R abgetrennt und kann statt desεen über den Zuεtrömkanal 13", den Überströmraum 8" und den Abströmkanal 14" des zweiten Mengenverstärkers 2" von der zugehörigen Druckquelle P mit unter Arbeitsdruck stehendem Druckmedium versorgt werden.Switching the control valve 18 into the second switching position results in pressurization of the two control channels 12 ', 12''' with the control pressure, so that the control membranes 6 ', 6''' of the first and third volume boosters 2 ', 2 Switch to closed position. Thus the work beitskanal A separated from the pressure sink R and can instead be supplied via the inflow channel 13 ", the overflow chamber 8" and the outflow channel 14 "of the second flow amplifier 2" from the associated pressure source P with pressure medium under working pressure.
Damit die Steuermembran 6" des zweiten Mengenverstärkers 2" bei geschlossenem drittem Mengenverstärker 2 ' ' ' in die Offenstellung umschalten kann, steht der ihr zugeordnete Steuerka- nal 12" mit einem zu einer Drucksenke R führenden Entlüftungskanal 23 in Verbindung. Letzterer kommuniziert beim Aus- führungεbeiεpiel mit dem Vorsteuerkanal 17. Der Entlüftungskanal 23 ermöglicht einen Druckabfall am Steuerkanal 12" und dementsprechend das Umschalten der Steuermembran 6" in die Offenstellung.So that the control membrane 6 "of the second quantity amplifier 2" can switch to the open position when the third quantity amplifier 2 '' 'is closed, the control channel 12 "assigned to it is connected to a ventilation channel 23 leading to a pressure sink R. The latter communicates when it is switched off. leadership example with the pilot channel 17. The vent channel 23 enables a pressure drop at the control channel 12 "and accordingly the switching of the control membrane 6" into the open position.
Der Entlüftungεkanal 23 kann eine ständig offene Verbindung zur Atmosphäre bzw. Drucksenke R darstellen, deren Querschnitt so gering ist, daß ein ausreichender Strömungswider- stand vorliegt, um bei am Vorεteuerkanal 17 anliegendem Steuerdruck einen zu großen Druckabfall und hohe Fluidverluste zu vermeiden. Andererseits soll der Strömungswiderstand nicht zu gering sein, so daß der Vorsteuerkanal 17 bei abgesperrtem Vorsteuer-Mengenverstärker rasch entlüftet wird und der zuge- ordnete zweite Mengenverstärker 2" ein guteε Anεprechverhal- ten aufweiεt .The ventilation duct 23 can be a constantly open connection to the atmosphere or pressure sink R, the cross section of which is so small that there is sufficient flow resistance to avoid an excessive pressure drop and high fluid losses when the control pressure is applied to the pilot duct 17. On the other hand, the flow resistance should not be too low, so that the pilot channel 17 is quickly vented when the pilot quantity amplifier is shut off and the assigned second quantity amplifier 2 "has a good response behavior.
Strichpunktiert iεt in Figur 4 eine alternative Auεgestaltung des Entlüftungskanals 23' angedeutet. In diesem Falle ist in den Entlüftungskanal 23" ein insbeεondere durch elektriεche Signale schaltbares Absperrventil 24 eingeschaltet, das zweckmäßigerweise als 2/2-Schaltventil auεgeführt ist. Es sperrt im Normalfall den Entlüftungskanal 23' ab und gibt im betätigten Zustand die Verbindung zwischen dem Vorεteuerkanal 17 bzw. dem Steuerkanal 12" und der Druckεenke R frei, wobei ein auεreichend großer Durchmesser gewählt werden kann, um einen augenblicklichen Druckabfall herbeizuführen. Es versteht εich, daß anεtelle der "normally cloεed"-Charak- teriεtik auch eine "normally open"-Charakteriεtik realisiert werden kann, die bei drucklosen Steuerkanälen 12', 12 ' ' ' eine offene Fluidverbindung zwischen dem Arbeitεkanal A und der Druckquelle R herstellt. Hierzu bedarf es lediglich eines Vertauschenε der Anschlußkonfiguration deε Abεtrömkanals 14" des ersten Mengenverstärkerε 2' und des Zuströmkanalε 13" des zweiten Mengenverstärkers 2". Angedeutet ist dies in Figur 4 durch in Klammern gesetzte Bezeichnungen "R" und "P" .An alternate embodiment of the ventilation duct 23 'is indicated by dash-dotted lines in FIG. In this case, a shut-off valve 24, which can be switched in particular by means of electrical signals, and which is expediently designed as a 2/2-way switching valve, is switched into the venting channel 23 ". It normally shuts off the venting channel 23 'and, in the actuated state, provides the connection between the pilot channel 17 or the control channel 12 "and the pressure sink R, whereby a sufficiently large diameter can be selected in order to bring about an instantaneous drop in pressure. It goes without saying that, instead of the "normally closed" characteristic, a "normally open" characteristic can also be implemented, which creates an open fluid connection between the working channel A and the pressure source R in the case of unpressurized control channels 12 ', 12''' . All that is required for this is to interchange the connection configuration of the outflow duct 14 "of the first quantity amplifier 2 'and the inflow duct 13" of the second quantity amplifier 2 ". This is indicated in FIG. 4 by the designations" R "and" P "in parentheses.
Die Integration der drei Mengenverstärker 2', 2", 21'1 in der Mengenverstärkereinrichtung 1' gemäß Figuren 2 bis 4 ge- εchieht vorzugsweise unter gleichzeitiger Zuordnung eines oder mehrerer Schichtkörper 3, 4 zu unterschiedlichen Mengenverstärkern. So erfolgt bei der Mengenverstärkereinrichtung 1' die Realiεierung der Verstärkereinheit 16 unter Verwendung lediglich dreier aufeinanderliegender Schichtkörper 25, was den Herstellungεaufwand gering hält .The integration of the three quantity amplifiers 2 ', 2 ", 2 1 ' 1 in the quantity amplifier device 1 'according to FIGS. 2 to 4 preferably takes place with simultaneous assignment of one or more laminate bodies 3, 4 to different quantity amplifiers. Thus, the quantity amplifier device 1' the realization of the amplifier unit 16 using only three layered bodies 25 lying one on top of the other, which keeps the manufacturing effort low.
Beim Auεführungsbeispiel ist einer der Mengenverstärker 2 - vorliegend der dritte Mengenverstärker 2'1' - in einer ersten Verstärkerebene 26 angeordnet, während die beiden anderen Mengenverstärker - vorliegend der erste und zweite Mengenver- stärker 2', 2" - gemeinsam in einer zweiten Verstärkerebene angeordnet sind, wobei sich die beiden Verstärkerebenen 26, 27 parallel zu den Schichtebenen erstrecken und in Normalenrichtung aufeinanderliegend angeordnet sind. In der gezeigten Darstellung und Ausrichtung der Mengenverstärkereinrichtung l' liegt die erεte Verεtärkerebene 26 oberhalb der zweiten Verstärkerebene 27.In the exemplary embodiment, one of the quantity amplifiers 2 - in the present case the third quantity amplifier 2 ' 1 ' - is arranged in a first amplifier level 26, while the other two quantity amplifiers - in the present case the first and second quantity amplifiers 2 ', 2 "- are arranged together in a second amplifier level The two amplifier levels 26, 27 extend parallel to the layer levels and are arranged one on top of the other in the normal direction. In the illustration and alignment of the quantity amplifier device 1 'shown, the first amplifier level 26 lies above the second amplifier level 27.
Die beim Ausführungsbeiεpiel vertikal zueinander benachbarten beiden oberen Schichtkörper 25 bilden die beiden Schichtkör- per 3' ' ' , 4' ' ' deε dritten Mengenverεtärkers 2' " . Gleichzeitig bildet der mittlere Schichtkörper 25 den jeweiligen ersten Schichtkörper 3', 3" des ersten und zweiten Mengenver- stärkers 2', 2" und der untere Schichtkörper 25 der Verstärkereinheit 16 repräsentiert in Baueinheit den zweiten Schichtkörper 4', 4" des ersten und zweiten Mengenverstärkers 2', 2". Obgleich es möglich wäre die Schichtkörper 3', 3"; 4', 4" des ersten und zweiten Mengenverstärkers 2', 2" separat auszuführen, empfiehlt sich auε Gründen der einfacheren Herstellung durch gleichzeitigeε Prozessieren die jeweils einεtückige Vereinigung in jeweilε ein und demεelben Schicht- körper .The two upper laminates 25 which are vertically adjacent to one another in the exemplary embodiment form the two laminates 3 ″, 4 ″ ″ of the third quantity amplifier 2 ″. At the same time, the middle laminate 25 forms the respective first laminate 3 ′, 3 ″ of the first and second quantity Strengthener 2 ', 2 "and the lower laminate 25 of the amplifier unit 16 in the unit represents the second laminate 4', 4" of the first and second quantity amplifier 2 ', 2 ". Although it would be possible the laminate 3', 3"; Executing 4 ', 4 "of the first and second quantity amplifiers 2', 2" separately is advisable for the sake of simpler manufacture by simultaneous processing, the one-piece combination in each case in one and the same laminate.
Das Steuerventil 18 ist mit der Verstärkereinheit 16 zu einer Baueinheit 28 körperlich zusammengefaßt. Beim Ausführungsbei- spiel ist es in Richtung der Schichtebenen neben der Verstärkereinheit 16 plaziert. Da das Steuerventil 18 ebenfalls ei- nen Mehrschichtaufbau besitzt, bietet es sich an, seine einzelnen Schichtkörper 32 mit paralleler Schichtausrichtung anzuordnen, und insbesondere derart, daß jeweils ein Schichtkörper 25 der Verstärkereinheit 16 in der gleichen Ebene mit einem Schichtkörper 32 des Steuerventils 18 verläuft. Beim Ausführungsbeispiel ist dies realisiert, wobei das Steuerventil 18 vergleichbar der Verstärkereinheit 16 über einen dreischichtigen Aufbau verfügt. In diesem Zusammenhang iεt eine weitere zweckmäßige Auεgestaltung dann gegeben, wenn die jeweils in einer gemeinsamen Schichtebene liegenden Schichtkör- per 25, 32 der Verεtärkereinheit 16 und deε Steuerventilε 18 einεtückig miteinander auεgebildet sind und εich daher gemeinsam herstellen lasεen. Damit wird auch der Zuεammenbau der Mengenverstärkereinrichtung 1' sehr vereinfacht und es lassen sich Dichtstellen an den Fügebereichen vermeiden.The control valve 18 is physically combined with the amplifier unit 16 to form a structural unit 28. In the exemplary embodiment, it is placed next to the amplifier unit 16 in the direction of the layer planes. Since the control valve 18 also has a multi-layer structure, it is advisable to arrange its individual layer bodies 32 with a parallel layer orientation, and in particular such that a layer body 25 of the amplifier unit 16 runs in the same plane with a layer body 32 of the control valve 18. In the exemplary embodiment, this is realized, the control valve 18 having a three-layer structure comparable to the amplifier unit 16. In this context, a further expedient design is given when the layer bodies 25, 32 of the amplifier unit 16 and the control valve 18 lying in a common layer plane are formed integrally with one another and can therefore be produced together. This also greatly simplifies the assembly of the quantity booster device 1 'and it is possible to avoid sealing points on the joining areas.
Anεtelle eineε Steuerventilε 18 mit 3/2-Schaltfunktion könnten beiεpielεweiεe auch zwei 2/2-Schaltventile vorgesehen werden .Instead of a control valve 18 with a 3/2 switching function, two 2/2 switching valves could also be provided, for example.
Die erwähnte Baueinheit 28 könnte bei Bedarf noch durch eine Entlüftungεeinheit 33 ergänzt werden - in Figur 3 εtrichpunk- tiert angedeutet -, in der der Entlüftungskanal 23, 23' und inεbesondere auch ein gegebenenfalls vorhandenes Absperrventil 24 angeordnet ist. Die Entlüftungseinheit 33 könnte dabei ohne weiteres über einen Schichtaufbau vergleichbar dem Steuerventil 18 verfügen und entεprechend dieεem mit den Schicht- körpern 25,32 der Verstärkereinheit 16 und/oder deε Steuerventils 18 gekoppelt oder einstückig ausgeführt sein.If necessary, the above-mentioned structural unit 28 could be supplemented by a ventilation unit 33 - indicated by dash-dotted lines in FIG. 3 - in which the ventilation channel 23, 23 'and in particular, a shut-off valve 24, if present, is also arranged. The venting unit 33 could easily have a layer structure comparable to the control valve 18 and, accordingly, could be coupled to the layer bodies 25, 32 of the amplifier unit 16 and / or the control valve 18 or could be made in one piece.
In Figur 2 sind die beiden großflächigen Außenflächen der beiden äußeren Schichtkörper 25, 32 der Baueinheit 28 mit je- weils einer Deckschicht 34, 34' belegt, die über strichpunktiert angedeutete Fluidkanäle 35 verfügt, welche zur Herstellung interner und externer Verbindungen herangezogen werden können. Insbesondere enthält wenigstens eine der Deckschichten 34, 34' nicht näher dargestellte Anschlußöffnungen, die die Verknüpfung mit weiterführenden Fluidkanalen ermöglichen, die zu einer Druckquelle, einer Drucksenke oder einem oder mehreren Verbrauchern führen. In FIG. 2, the two large-area outer surfaces of the two outer layer bodies 25, 32 of the structural unit 28 are each covered with a cover layer 34, 34 ', which has fluid channels 35, indicated by dash-dotted lines, which can be used to produce internal and external connections. In particular, at least one of the cover layers 34, 34 'contains connection openings (not shown in any more detail) which enable the connection to further fluid channels which lead to a pressure source, a pressure sink or one or more consumers.

Claims

AnsprücheExpectations
l.Mengenverstärkereinrichtung für Fluidεtrö e, mit mindeεtens einem durch Mikrostrukturierungsverfahren hergestellten, fluidgesteuerten mikromechanischen Mengenverstärker (2) , der eine durch zwei Schichtkörper (3, 4) begrenzte Kammer aufweist, die von einer beweglichen Steuermembran (6) in einen mit einem Steuerkanal (12) kommunizierenden Steuerraum (7) und einen mit einem Zuströmkanal (13) und einem Abεtrömkanal (14) kommunizierenden Überεtrömraum (8) unterteilt iεt, wobei die Steuermembran (6) in Abhängigkeit von dem am Steuerkanal (12) anstehenden Steuerdruck in eine den Zuströmkanal (13) und den Abströmkanal (14) verschließende Schließεtellung oder eine dieεe beiden Kanäle freigebende und damit ein Überströ- men von Fluid zwiεchen dem Zuεtrömkanal (13) und dem Abεtrömkanal (14) ermöglichende Offenεtellung bewegbar iεt.l. quantity amplifier device for fluid flow, with at least one fluid-controlled micromechanical quantity amplifier (2) produced by microstructuring method, which has a chamber delimited by two laminated bodies (3, 4), which from a movable control membrane (6) into a with a control channel (12 ) communicating control chamber (7) and an overflow chamber (8) communicating with an inflow channel (13) and an outflow channel (14), the control membrane (6) depending on the control pressure at the control channel (12) into one of the inflow channel ( 13) and the closed position closing the outflow channel (14) or an open position releasing these two channels and thus allowing fluid to flow over between the inflow channel (13) and the outflow channel (14).
2. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkanal (12) in dem einen Schicht- körper (3) und der Zuströmkanal (13) und der Abströmkanal (14) gemeinsam im anderen Schichtkörper (4) ausgebildet εind.2. Quantity amplifier device according to claim 1, characterized in that the control channel (12) in one layer body (3) and the inflow channel (13) and the outflow channel (14) are formed together in the other layer body (4).
3. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtkörper (3, 4) und/oder die Steuermembran (6) als siliziumtechnisch hergestellte Be- εtandteile ausgeführt sind.3. Quantity amplifier device according to claim 1 or 2, characterized in that the laminated bodies (3, 4) and / or the control membrane (6) are designed as silicon-made components.
4. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtkörper (3, 4) und/oder die Steuermembran (6) aus Kunststoffmaterial bestehen.4. Quantity amplifier device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the laminated body (3, 4) and / or the control membrane (6) consist of plastic material.
5. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Anεprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermembran (6) randseitig zwischen den beiden Schichtkörpern (3, 4) festgelegt ist.5. Quantity amplifier device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the control membrane (6) is fixed at the edge between the two laminated bodies (3, 4).
6. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermembran (6) ins- geεamt biegeelastisch und vorzugsweise folienartig ausgeführt ist .6. Quantity amplifier device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the control membrane (6) is designed to be flexurally elastic and preferably foil-like.
7. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mehrere zu einer insbesondere blockartigen Verstärkereinheit (16) zusammengefaßte und fluidtechniεch miteinander verknüpfte mikromechaniεche Men- genverεtärker (2; 2', 2", 2 1 I I7. Quantity amplifier device according to one of claims 1 to 6, characterized by a plurality of micromechanical quantity amplifiers (2; 2 ', 2 ", 2 1 I I) combined to form a block-like amplifier unit (16) in particular and fluid-technically linked to one another
8. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 biε 7, gekennzeichnet durch mehrere mikromechanische Mengenverstärker (2; 2', 2", 2'''), die derart fluidtechnisch miteinander verknüpft sind, daß εie zusammen eine über einer 2/2-Schaltfunktion liegende höherwertige Ventilfunktion aus- üben.8. Quantity amplifier device according to one of claims 1 to 7, characterized by a plurality of micromechanical quantity amplifiers (2; 2 ', 2 ", 2' '') which are fluidically linked to one another in such a way that εie together they have a 2/2 switching function Exercise higher-quality valve function.
9. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch drei zu einer Dreiwege-Schaltfunktion verknüpfte mikromechanische Mengenverstärker (2; 2', 2", 2'1'), die beispielsweise eine "normally closed"- oder eine "normally open" -Charakteristik ermöglichen.9. Quantity amplifier device according to one of claims 1 to 8, characterized by three to a three-way switching function linked micromechanical quantity amplifier (2; 2 ', 2 ", 2' 1 '), for example a" normally closed "- or a" normally open "Enable characteristic.
10. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch zwei Mengenverstärker (2', 2"), die derart miteinander verknüpft sind, daß der Zuströmkanal (13') des einen Mengenverstärkers (2') mit dem Abströmkanal (14") des anderen Mengenverstärkerε (2") verbunden ist und beide Kanäle (13', 14") mit einem gemeinsamen Arbeitskanal (A) kommunizieren, wobei der Steuerkanal (12") des einen Men- genverstärkers (2") über einen Vorsteuerkanal (17) mit dem10. Quantity amplifier device according to one of claims 7 to 9, characterized by two quantity amplifiers (2 ', 2 ") which are linked to one another in such a way that the inflow channel (13') of the one quantity amplifier (2 ') with the outflow channel (14") of the other quantity amplifier (2 ") is connected and both channels (13 ', 14") communicate with a common working channel (A), the control channel (12 ") of the one quantity amplifier (2") via a pilot channel (17) with the
Abströmkanal (14111) eines Vorsteuer-Mengenverεtärkerε (2''') verbunden ist, dessen Steuerkanal (12''') zweckmäßigerweise mit dem Steuerkanal (12') des anderen Mengenverstärkers (2') kommuniziert .Outflow channel (14 111 ) of a pilot control quantity amplifier (2 ''') is connected, the control channel (12''') of which is expedient communicates with the control channel (12 ') of the other quantity amplifier (2').
11. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkanal (12) mindestens eines Mengenverstärkers (2) mit einem Entlüftungskanal (23, 23') verbunden iεt, der εtändig offen und mit einem Strömungεwiderεtand verεehen oder mit einem schaltbaren Absperrventil (24) ausgeεtattet iεt.11. Quantity amplifier device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the control channel (12) at least one quantity amplifier (2) with a ventilation channel (23, 23 ') iεt, which ε constantly open and verεehen with a flow resistance or with a switchable Shut-off valve (24) is equipped.
12. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsteuerkanal (17) mit einem Entlüftungskanal (23, 23') verbunden ist.12. Quantity amplifier device according to claim 11 in conjunction with claim 10, characterized in that the pilot channel (17) is connected to a ventilation channel (23, 23 ').
13. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuerkanal (12, 12''') mindestenε eineε Mengenverstärkers (2, 2''') mindestens ein durch Mikrostrukturierungsverfahren hergestelltes mehrschichtiges mikromechanisches Steuerventil (18) zur Beeinflussung der Druckbeaufschlagung des Steuerraumes zugeordnet ist.13. Quantity amplifier device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the control channel (12, 12 '' ') at least one quantity amplifier (2, 2' '') at least one multi-layer micromechanical control valve (18) produced by microstructuring methods for influencing the Pressurization of the control room is assigned.
14. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Baueinheit (28) mit mindestens einem mikromechanischen Mengenverstärker (2) und mindestens einem mikromechanischen Steuerventil (18) enthält.14. Quantity amplifier device according to claim 13, characterized in that it contains a structural unit (28) with at least one micromechanical quantity amplifier (2) and at least one micromechanical control valve (18).
15. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 14, gekenn- zeichnet durch eine Baueinheit (28) mit mehrschichtigem Aufbau, wobei eine oder mehrere Schichten vorhanden sind, in denen εowohl ein Schichtkörper (25) eineε Mengenverεtärkers (2) als auch ein Schichtkörper (32) eines Steuerventils (18) vorgesehen sind.15. Quantity amplifier device according to claim 14, characterized by a structural unit (28) with a multilayer structure, one or more layers being present in which both a laminate (25) of a quantity amplifier (2) and a laminate (32) of a control valve (18) are provided.
16. Mengenverstärkereinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Ebene liegenden Schichtkör- per (25, 32) von Mengenverεtärker (2) und Steuerventil (18) einεtückig miteinander ausgebildet sind.16. A quantity amplifier device according to claim 15, characterized in that the layered bodies lying in one plane by (25, 32) of quantity booster (2) and control valve (18) are integrally formed with each other.
17. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide äußeren Schichtkörper (25, 32) der Baueinheit (28) an ihrer Außenseite mit einem Deckschichtkörper (34, 34') versehen sind, der einen oder mehrere Fluidkanäle (35) enthält.17. Quantity amplifier device according to one of claims 14 to 16, characterized in that one or both outer layer bodies (25, 32) of the structural unit (28) are provided on their outside with a cover layer body (34, 34 ') which has one or more fluid channels (35) contains.
18. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestenε eine Steuerventil (18) über eine 2/2-Schaltfunktion oder über eine 3/2-Schaltfunktion verfügt.18. Quantity amplifier device according to one of claims 13 to 17, characterized in that the at least one control valve (18) has a 2/2 switching function or a 3/2 switching function.
19. Mengenverstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die vorhandenen Bestandteile zu einer integrierten Baueinheit zusammengefaßt sind. 19. Quantity amplifier device according to one of claims 1 to 18, characterized in that the existing components are combined to form an integrated structural unit.
PCT/EP1999/001199 1998-04-11 1999-02-25 Liquid flow amplification device WO1999053205A1 (en)

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DE1998116283 DE19816283A1 (en) 1998-04-11 1998-04-11 Quantity amplifier device for fluid flows
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