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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer
Siliziumventileinheit zur Steuerung eines Medienflusses.
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Ein Artikel mit dem Titel "Fabrication of Novel
Three-Dimensional Microstructures by the Anisotropic Etching of
(100) and (110) Silicon" (Herstellung neuer dreidimensionaler
Mikrostrukturen durch anisotropisches Ätzen von Silizium (100)
und (110)) von E. Bassous, IEEE Transactions on Electron
Devices, Band ED-25, Nr. 10, Oktober 1978, Seiten 1178 - 85,
lehrt den Einsatz des anisotropischen Ätzens eines einzelnen
Siliziumkristalls, um Tintenstrahldüsen, optische Wellenleiter,
mehrpolige elektrische Miniatursteckverbinder und
elektromechanische Vorrichtungen herzustellen.
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Die US-Patentschriften Nr. 4,157,935, erteilt an
Solyst, und 4,455,192, erteilt an Tamai, lehren Verfahren zur
Ausbildung einer Tintenstrahl-Düsenmatrix durch chemisches
Ätzen eines Siliziumplättchens (Wafer).
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Es ist auch bekannt, herkömmliche metallene
Mediendosierventile wie solche, die Präzisionsanschlüsse verwenden,
aus sehr genau gefertigten Metallteilen herzustellen. Typische
Toleranzen der geläppten Maschinenteile liegen im Bereich der
millionstel Zoll. Dies ist ein kompliziertes,
arbeitsaufwendiges und zeitraubendes Herstellungsverfahren, das Bauteile
erzeugt, die teuer sind und leicht Zuverlässigkeitsproblemen
unterliegen, wenn sich die inneren Toleranzen infolge von
Verschleiß und dadurch, daß die Teile Kraftstoff und
Verunreinigungen im Kraftstoff ausgesetzt sind, ändern. Es wäre
wünschenswert, Kraftstoff-Einspritzventile und andere Ventile mit
erheblich weniger Arbeits- und Zeitaufwand bei Einsatz eines
deutlich unkomplizierteren Herstellungsverfahrensherzustellen.
Das heißt, höhere Toleranzen sind wünschenswert, ebenso wie
Unempfindlichkeit gegenüber Kraftstoff-Verunreinigungen und
höhere Zuverlässigkeit.
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Des weiteren ist bekannt, ein Siliziumventil mit
ersten und zweiten Siliziumventilgliedern zur Steuerung eines
Medienflusses zu verwenden. Das erste Siliziumventilglied ist
allgemein eben und besitzt eine Öffnung für den Durchlaß des
Mediums. Das zweite Siliziumventilglied hat eine ebene
Siliziumoberfläche, die mit der Öffnung fluchtet und relativ dazu
bewegbar ist, so daß die Öffnung selektiv geöffnet und
geschlossen werden kann und damit der Medienfluß durch die
Öffnung gesteuert wird. Ein solches Siliziumventil und ein
Verfahren zur Herstellung desselben sind in der am 16. Dezember
1986 veröffentlichten US-Patentschrift Nr. 4,628,576 und in der
am 3. März 1987 veröffentlichten Patentschrift Nr 4,647,013
näher beschrieben, die beide dem Anmelder der vorliegenden
Erfindung erteilt wurden.
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Die US-Patentschrift Nr. 1,234,122 offenbart ein
Ventil, welches zum Zerstäuben eines Kraftstoff- und Luftgemisches
am Ausgang des Vergasers eines Motors eingesetzt wird. Figur 1
dieser Patentschrift stellt das Ventil dar, mit Lochplatten 10,
12, die zur Aufnahme des vom Vergaser 6 zugeführten Kraftstoff-
Luft-Gemisches angeordnet sind. Die Platten 10, 11 werden
normalerweise gegeneinander gehalten, so daß die Löcher in jeder
der Platten gegeneinander versetzt sind und den Flug durch das
Ventil blockieren. Wird im Ansaugstutzen 5 ein Unterdruck
erzeugt, bewegt sich die Platte 12 weg von der festen Platte 10,
so daß das Kraftstoffgemisch, wie aus der Figur 3 in diesem
Patent ersichtlich ist, zerstäubt wird. Tn diesem
Bezugsdokument wird der Einsatz von Silizium zur Herstellung des Ventils
weder gelehrt noch vorgeschlagen.
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Die EP-A-208386 befaßt sich mit einem Siliziumventil
zur Steuerung eines Medienflusses und umfaßt zwei ebene
Siliziumglieder, wobei eines der Glieder eine das Medium
durchlassende Öffnung aufweist, und das andere Glied eine relativ dazu
bewegbare Fläche aufweist, über welche die Öffnung selektiv
geöffnet und geschlossen werden kann, so daß der Medienfluß
durch diese Öffnung gesteuert wird.
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Die US-A-4,538,648 bezieht sich auf ein Ventil mit
zwei an ihren Umfangswänden dicht miteinander verbundenen und
mit Querbohrungen versehenen Ventilplatten. US-A-4,538,642
offenbart ein Ventil das, wie in Figur 1 dargestellt, eine
Ventilplatte oder ein elektrisch leitendes blattartiges Glied 4
aufweist, mit einer elektrisch isolierenden Frontfläche 6 und
einer Matrix von Öffnungen 7 - 11. Eine zweite Ventilplatte
oder ein elektrisch leitendes blattartiges Glied 12 liegt an
dem ersten Glied 4 an dessen Frontfläche 6 an, so daß es die
Öffnungen 7 - 11 verschließt. Das zweite blattartige Glied 12
weist Öffnungen 16 - 13 auf, die nichtfluchtend zu den
Öffnungen 7 - 11 angeordnet sind. Zum Öffnen des Ventils wird ein
Schalter 28 geschlossen, wodurch bewirkt wird, daß ein
elektrischer Strom durch das Glied 4 fließt dann durch einen
Leiter 26 und dann rechtssinnig durch das Glied 12, wobei
gegenpolige elektromagnetische Felder erzeugt werden, die das
blattartige Glied 4 wie aus Figur 4 ersichtlich anheben. Auch hier
wird der Gebrauch von Silizium zur Herstellung des Ventils
weder gelehrt noch vorgeschlagen.
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Die obengenannten herkömmlichen Techniken haben
gezeigt, daß eine genaue Steuerung des Medienflusses,
einschließlich gasartiger oder flüssiger Medien oder eines Unterdruckes,
sehr schwer zu erreichen ist. Die herkömmliche Lösung, unter
Einsatz von Metallventilsystemen, erfordert ein genaues
Bearbeiten sehr kleiner Teile. Die Schwankungen von einem Ventil
zum andern sind nur schwer beherrschbar, und das Verfahren ist
insgesamt sehr teuer. Diese Metallventile beinhalten gewöhnlich
ein Metallgehäuse und eine Nadel und unterliegen der Gefahr des
Verstopfens durch sehr kleine durch das Medium eingebrachte
Fremdkörper. Andere derzeit gebräuchliche Lösungen beinhalten
das Spritzgießen eines Kunststoff-Ventilsitzes, auf welchen zum
Schließen eine Tauchnadel mit einer mit Gummi beschichteten
Spitze gedrückt wird. Bei dieser Art Ventil besteht die Gefahr
des Klebens infolge solcher Umgebungsbedingungen wie sehr tiefe
Temperaturen. Eine einfachere Betätigung und verbesserte
Flußeigenschaften von Siliziumventilen wären ebenfalls
wünschenswert. Dies sind einige der Probleme, die durch die Erfindung
gelöst werden.
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Der vorliegenden Erfindung zufolge wird eine
Siliziumventileinheit zur Steuerung eines Medienflusses
vorgeschlagen, mit einem ersten allgemein ebenen Ventilglied mit durch
die Ebene des besagten ersten Ventilgliedes gehenden
Zufuhröffnungen für den Durchlaß eines Mediums, einer mittigen Öffnung
für den Durchlaß eines Betätigungsgliedes, und mit einem eine
tafelbergartige Erhebung bildenden Mittel, das mit besagter
Ventileinheit fluchtet und den Medienfluß durch besagte
Ventileinheit blockiert, und mit einer Umfangswand zur Abdichtung,
und mit einem zweiten allgemein ebenen Siliziumventilglied, das
von spritzdüsenartigen Öffnungen durchsetzt ist, die mit
besagten tafelbergartigen Mitteln fluchten und relativ dazu bewegbar
sind, so daß die Flußöffnungen des besagten zweiten
Ventilelements selektiv geöffnet und geschlossen werden können, womit
der Medienfluß durch besagte Durchflußöffnungen gesteuert wird,
wobei ein Umfangsbereich des besagten zweiten Ventilgliedes mit
einer Umfangswand des besagten ersten Ventilgliedes dichtend
verbunden ist, und worin die besagten Durchflußöffnungen des
besagten zweiten Ventilgliedes einen allgemein rechteckigen
Querschnitt aufweisen sowie Seitenwände, die nicht parallel
verlaufen und mit der Senkrechten auf die Planfläche des
besagten zweiten Ventilelements einen Winkel bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß alle Zufuhröffnungen des ersten
Ventilgliedes durch die Ebene des besagten ersten Ventilgliedes
hindurchgehend angeordnet sind, daß die gesamte Umfangswand des
besagten zweiten Ventilgliedes dicht mit der Umfangswand des
besagten ersten Ventilgliedes verbunden ist, daß die
Durchflußöffnungen des zweiten ventilgliedes in Flußrichtung des Mediums
in ihrem Querschnitt zunehmen, so daß der Medienfluß über eine
scharfe Kante in die Durchflußöffnungen eintritt, so daß ein
Sprühmuster für das durchfließende Medium definiert wird, daß
besagte tafelbergartige Erhöhungen bildende Mittel gegenüber
der Senkrechten auf die Planfläche des zweiten Ventilgliedes
versetzte Wände aufweisen, und daß die Zufuhröffnungen des
besagten ersten Ventilgliedes Seitenwände aufweisen, die einen
Winkel mit der Senkrechten auf die allgemein ebene Fläche des
besagten ersten Ventilgliedes bilden, wobei besagte
Zufuhröffnungen so bemessen sind, daß ein gewünschtes Druckgefälle
und/oder ein gewünschter Durchsatz entsteht.
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Die Funktion der Ventileinheit hängt von der
Elastizität des Silizium ab, da die Düsenplatte und die Ventilplatte
von einander getrennt werden müssen, um den Fluß des Mediums zu
ermöglichen.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beispielartig näher beschrieben. Es zeigen:
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Figur 1 eine Draufsicht auf eine Ventilplatte für
eine Ventileinheit;
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Figur 2 eine perspektivische Darstellung der
Ventilplatte der Figur 1;
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Figur 3 eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie
3-3 der Figur 1;
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Figur 4 eine Draufsicht einer in Verbindung mit der
Ventilplatte der Figur 1 in einer Ventileinheit gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehenen
Düsenplatte;
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Figur 5 eine perspektivische Darstellung der
Düsenplatte nach Figur 4;
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Figur 6 eine quergeschnittene Ansicht der Düsenplatte
gemäß Figur 4 entlang der Schnittlinie 6-6;
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Figur 7 eine perspektivische, teilweise geschnittene
Darstellung einer die Ventilplatte nach Figur 1 und die
Düsenplatte nach Figur 4 enthaltenden Ventileinheit;
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Figur 8 eine Schnittansicbt der Ventileinheit nach
Figur 7, mit den zugehörigen, eine Tauchnadel zum elastischen
Wegbiegen der Düsenplatte enthaltenden Teilen zur Betätigung
der Ventileinheit;
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Figur 9 eine Draufsicht einer Ventilplatte mit
einzelnen tafelbergartigen Erhebungen und Durchflußöffnungen mit
geneigten Seitenwänden, gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung;
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Figur 10 eine perspektivische Darstellung der
Ventilplatte der Figur 9;
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Figur 11 eine Ansicht im Querschnitt entlang der
Schnittlinie 11-11 der Figur 9;
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Figur 12 eine Ansicht im Querschnitt entlang der
Linie 12-12 der Figur 9;
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Figur 13 eine Draufsicht einer Düsenplatte für den
Einsatz in Verbindung mit der Ventilplatte nach Figur 9,
entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung;
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Figur 14 eine perspektivische Darstellung der
Düsenplatte der Figur 13;
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Figur 15 eine Schnittansicht der Düsenplatte aus
Figur 13, entlang der Schnittlinie 15-15;
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Figur 16 eine perspektivische, teilgeschnittene
Ansicht einer die Ventilplatte aus Figur 9 und die Düsenplatte
aus Figur 13 zum Einsatz bringenden Ventileinheit gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung; und
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Figur 17 eine Ansicht der Ventileinheit der Figur 16
im Querschnitt, entlang der Schnittlinie 17-17.
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Die in den Figuren 1 bis 8 dargestellten und hier mit
Bezug auf diese Figuren beschriebenen Ausführungsformen sind
nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende
Erfindung betrifft eine in den Figuren 9 bis 17 dargestellte
Ausführung.
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Mit Bezug auf die Figuren 1 - 8, enthält eine
Ventileinheit 10 (Figuren 7 und 8) eine obere Siliziumventilplatte 11
und eine untere Siliziumdüsenplatte 20. Die Ventilplatte 11
weist vier durch die gesamte Stärke der Ventilplatte 11
hindurch geätzte Zufuhröffnungen 12 auf, die den Durchfluß eines
Mediums durch die Platte hin zur Düsenplatte 20 ermöglichen. An
der der Düsenplatte 20 gegenüberliegenden Unterseite ist die
Ventilplatte 11 durch Ätzen so bearbeitet, daß zum Verschließen
der Durchflußöffnungen 21 in der Düsenplatte 20 ein flacher
Bereich erhalten bleibt, der als tafelbergartige Erhebung 13
bezeichnet wird.
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Nimmt man Bezug auf Figur 4, so weisen die
Durchflußöffnungen 21 alle einen etwa rechteckigen Querschnitt auf und
sind um etwa 90º zueinander versetzt im Abstand zueinander um
den Mittelpunkt der Düsenplatte 20 angeordnet. Die
tafelbergartige Erhebung 13 weist eine allgemein rechteckige Form auf,
die so bemessen ist, daß sie über alle Durchflußöffnungen 21
paßt. Die vier Durchflußöffnungen 21 sind durch die Stärke der
Düsenplatte 20 hindurch geätzt und lassen bei geöffneter
Ventileinheit 10 das Medium durch. Die Durchflußeigenschaften der
Ventileinheit 10 können von einem einzelnen Strahl bis zu einem
feinen Sprühnebel reichen und werden von der Anzahl Größe
Form und Verteilung der Öffnungen in der Düsenplatte 20
bestimmt, von den Zufuhröffnungen und dem Mediendruck. Die Größe
der Zufuhröffnungen 12 bestimmt den Druckabfall, der über die
Stärke der Ventilplatte 11 im Medium entsteht. Die
Zufuhröffnungen
12 sind vorteilhaft derart bemessen, daß sie einen
vorbestimmten gewünschten Druckabfall und einen entsprechenden
Durchsatz bewirken. Alternativ dazu kann auch der Durchsatz
vorbestimmt werden. Die Siliziumplatten 11 und 20 werden
jeweils durch Ätzen aus einem allgemein ebenen Siliziumplättchen
(Wafer) geformt, das vorteilhaft eine ebene optische Oberfläche
aufweist.
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Die Ventilplatte 11 weist weiterhin eine Umfangswand
14 auf, so daß ein zwischen der tafelbergartigen Erhebung 13
und der Umfangswand liegender Membranbereich 15 im Abstand zu
der gegenüberliegenden Fläche der Düsenplatte 20 angeordnet
ist, und daß der Medienfluß die abdichtende Grenze zwischen
tafelbergartiger Erhebung 13 und der Oberfläche der Düsenplatte
in der Nähe der Durchflußöffnungen 21 erreichen kann. Des
weiteren weist die Ventilplatte 11 eine mittige Öffnung 16 auf,
durch die ein Betätigungsglied 80 stößt (Figur 8), das die
Düsenplatte 20 mit der mittigen Öffnung 16 fluchtend in der Mitte
der Durchlaßöffnungen 21 berührt. Die Öffnung 16 wird an ihrem
Umfang von der tafelbergartigen Erhebung 13 begrenzt.
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Die Siliziumventileinheit 10 arbeitet so, daß die
Silizium-Ventilplatte 11 und die Silizium-Düsenplatte 20 so
aneinander gelegt werden daß die tafelbergartige Erhebung 13 die
Durchflußöffnungen 21 abdeckt. Die Umfangswand 14 der
Ventilplatte 11 ist gegen den Umfang der Düsenplatte 20 abgedichtet,
und zwar unter Einsatz bekannter Verfahren, wie z.B des
Peaktionsschweißens. Durch Ausfahren des Betätigungsgliedes 80
durch die mittige Öffnung 16 der Ventilplatte 11 hindurch wird
die Düsenplatte 20 abgespreizt. Dementsprechend wird die
tafelbergartige Erhebung 13 von dem Eingang der Durchflußöffnungen
21 weg bewegt und das Medium kann durch die Ventileinheit 10
fließen.
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Bezugnehmend auf die Figuren 9 - 17 weist die
erfindungsgemäße Ventileinheit 95 (Figuren 16 und 17) eine in den
Figuren 9 - 12 dargestellte Ventilplatte 90 und eine in den
Figuren 13 - 15 dargestellte Düsenplatte 100 auf. Die
Arbeitsweise
dieser Ventileinheit ist derjenigen des in den Figuren 1
- 8 dargestellten Ventils ähnlich. Das heißt, die Öffnung der
Ventileinheit 95 zum Durchlassen des Mediums hängt von den
elastischen Eigenschaften der Düsenplatte ab, die von einem
Betätigungsglied abgespreizt wird. Das Schließen des Ventils
erreicht man durch die elastischen Eigenschaften des Siliziums,
wodurch die Düsenplatte 100 wieder in ihre normalerweise
geschlossen Stellung zurückgeholt wird, sobald die Öffnungskraft
weggenommen wird.
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Die Ventileinheit 95 in den Figuren 9 - 17
unterscheidet sich jedoch von der ersten dadurch, daß die Größe, die
Form und die Anordnung der Öffnungen und tafelbergartigen
Erhebungen unterschiedlich ausgebildet sind. Die Ventileinheit 95
in den Figuren 9 - 17 ist der Ventileinheit 10 darin ähnlich,
daß die Ventil- und die Düsenplatte entlang des Umfanges der
jeweiligen Platte dicht miteinander verbunden sind. Die
Durchflußöffnungen 101 in der Düsenplatte 100 sind größer, um den
Mediendurchsatz durch die Ventileinheit zu vergrößern. Die
Ventilplatte 90 weist vier einzelne dichtende tafelbergartige
Erhebungen 91 auf, die mit den Durchflußöffnungen 101 fluchten.
Die Ventilplatte 90 weist außerdem vier Zufuhröffnungen 92 auf,
die um eine mittige Öffnung 93 herum und zwischen den
tafelbergartigen Erhebungen 91 liegend angeordnet sind. Die
Seitenwände der Durchflußöffnungen 101, der Zufuhröffnungen 91, der
tafelbergartigen Erhebungen 92 und der mittigen Öffnung 93 sind
alle um einen bestimmten Winkel zur Senkrechten auf die ebene
Haupt-Plattenfläche geneigt, der von der kristallographischen
Ausrichtung des Siliziumplättchens und der spezifischen, bei
der Herstellung der Ventilplatte und der Düsenplatte
eingesetzten Mikrobearbeitungstechnik bestimmt wird. Die geneigten
Seitenwände der Durchflußöffnungen 101 bieten einen zusatzlichen
Vorteil dadurch, daß sie die Bildung eines vorteilhaften
Sprühmusters beim Austritt des Mediums über die scharfen Kanten der
Durchflußöffnugen 101 fördern.
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Typische Werkstoff- und Siliziumausrichtungen
beinhalten
die Arten 100, 110 und 111; die typische Größenordnung
liegt bei 3 - 7 mm im Quadrat; die Stärken liegen bei 300 - 500
mm. Die Abdichtung der Ventilplatte gegen die Düsenplatte kann
durch Reaktionsschweißen, anodisches Schweißen, usw. erzielt
werden.