專利名稱：組合式電動微型閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及組合式電動微型閥領(lǐng)域，更具體地說，涉及用于工業(yè)上腐蝕性的用途和超凈的用途的低漏泄率的組合式微型閥領(lǐng)域。
現(xiàn)有技術(shù)中已有微型切削加工的組合式閥。例如，Mark Zdeboick的美國專利No.4821997、4824073、4943032和4966646(下稱Zdeblick專利，已轉(zhuǎn)讓給Stanford大學(xué))公開過這類常開式閥的各種實施例，上述專利均納入本文作為參考。這類閥通常含有三層結(jié)構(gòu)，其中的上兩層構(gòu)成一個密封內(nèi)腔，該內(nèi)腔裝有一種沸點低和/或膨脹系數(shù)高的流體，所述內(nèi)腔的一個壁構(gòu)成柔性薄膜。三層結(jié)構(gòu)的上兩層可以用硅、石英或玻璃基體、或其他任何合適材料制成。一般說來，至少有一個層或者說層板是硅制的，因為硅有利于微切削加工而形成內(nèi)腔和柔性薄膜?！癦deblick”專利的閥還在其密封內(nèi)腔的內(nèi)表面設(shè)有電阻元件。該電阻元件與電源連接，使通過電阻元件的電流產(chǎn)生加熱效應(yīng)。一般說來，底層具有一個閥座和在其中形成的閥口。關(guān)閉該閥口可擋住流體流動以阻止液流通過閥座和閥口。在“Zdeblick”專利中。當(dāng)電流流過電阻元件時，封閉在內(nèi)腔中的流體被加熱而使柔性薄膜彎曲到足以與下層板上形成的閥座相接觸，這樣，就通過閥口切斷輸入通道與輸出通道之間的流體流動。
在一些用途中適合于采用常開式閥，但在其他的用途中，則需要用常閉式閥，也就是那種在斷電狀態(tài)下沒有流體從輸入通道流至輸出通道的閥。這種常閉式閥的一個實例是由Redwood微系統(tǒng)股份有限公司制造的FluistorTM(加州，Menlo Park，股分有限公司Rtdwood微系統(tǒng)商標(biāo))微型閥(Nc-105)。參看圖1，圖中簡單示出上述閥處于斷電狀態(tài)的情況。在FluistorTM閥中，在中層或者說層板14中形成一個柔性薄膜20，該薄膜20也用作在中層板14與上層板16之間形成的內(nèi)腔26的一個壁。內(nèi)腔26內(nèi)設(shè)置一個電阻元件或者說加熱件30，用于加熱密封在內(nèi)腔26內(nèi)的流體28(用“波紋”線表示)。選用的流體28應(yīng)當(dāng)在加熱時可膨脹以便使柔性薄膜彎曲或移動。上述移動使得機(jī)械接頭或者說支座22連接到下層板12上。如在FluistorTMNc-105閥那樣，在層板12被固定的情況下，與支座22的位置相連系的柔性薄膜20的移動引起中層板14和上層板16分別移離下層板12。因此，層板12與中層板14分開，并且穿過層板12上形成的出口44與閥座區(qū)40脫開，或者說打開，這樣，出口44打開。并與入口42形成流體連通。
FluistorTM閥用于控制非腐蝕性流體和/或要求氦漏泄率不低于約1×10-4毫升-大氣/秒的場合可以很好地工作。但是，它不能用于要求控制腐蝕性流體和/或用于要求氦漏泄率等于或低于1×10-6毫升-大氣壓/秒的場合。另外，F(xiàn)luistorTM閥像“Zdeblick”專利的閥一樣，用柔性薄膜20或其鄰接的凸出部直接封閉閥口。這種直接應(yīng)用柔性薄膜20的做法限制了設(shè)計閥5的可能性。
因此，需要一種可用于控制腐蝕性流體的組合式微型閥。還需要一種氦漏泄率能達(dá)到1×10-6毫升-大氣壓/秒或更低的組合式微型閥。另外，還需要一種可控制腐蝕性流體并可達(dá)到氦漏泄率為1×10-6毫升-大氣壓/秒或更低的組合式微型閥。最后，還需要一種可滿足上述需要而不用柔性薄膜作為實際上直接密封閥口的構(gòu)件的常開式或者常閉式微型閥。這樣，就增加了設(shè)計的選擇性并擴(kuò)大了微型閥的潛在應(yīng)用范圍。
組合式微型閥(通常也稱為超小型閥)使用一種帶有可移動閥件的致動器的薄的柔性薄膜。該薄膜根據(jù)輸入到能量轉(zhuǎn)換裝置上的能量而移動。因此，在一些實施例中，供入能量轉(zhuǎn)換裝置的電能被輸入到電阻加熱器，由該加熱器產(chǎn)生的熱能使裝在密封內(nèi)腔的流體膨脹，該膨脹的流體使柔性壁或者說薄膜撓曲。在一些實施例中，能量轉(zhuǎn)換裝置除了加熱流體外還可冷卻流體。
柔性薄膜通過一個致動器與閥件相連接，并且設(shè)置在一個或多個中間閥口附近。因此，薄膜的移動使閥件移動，打開或關(guān)閉每個閥口。每個閥口都與用作閥的輸入通道和輸出通道的通道形成流體連接，每個閥口都包含一個閥座。在一些實施例中，閥座是閥件的一部分，而在另一些實施例中，它是閥口的一部分。在一些實施例中，閥座具有可加強密封的柔性密封表面。在某些實施例中，在與上述的柔性密封表面相對的表面上形成一種凸脊，因此形成一個在關(guān)閉閥口時壓縮上述柔性密封表面的較窄的邊。這樣，具有柔性密封表面的實施例的漏泄率比沒有這種表面的實施例要低。在一些實施例中，加力裝置設(shè)有彈簧或其他機(jī)構(gòu)，以對閥件施加力。在本發(fā)明的一些實施例中，閥做成一種常閉式閥，而在另一些實施例中，閥做成一種常開式閥。在本發(fā)明的一些實施例中，與閥所控制的流體相接觸的表面涂有惰性材料。這就制成了控制腐蝕性的和/或超凈的流體的流速的閥。
在本發(fā)明的一些實施例中，將檢測裝置與閥做成整體。在一些實施例中，上述檢測裝置是流量檢測器，而在另一些實施例中，檢測裝置是壓力計。因此，在按照本發(fā)明的實施例而額外具有組合的檢測裝置以對能量轉(zhuǎn)換部分的能量輸入源提供動態(tài)反饋的場合，這類閥可以動態(tài)地控制流速和壓力。
通過參看附圖，熟悉本技術(shù)的人們將能更好地理解本發(fā)明，并可更明白本發(fā)明的許多目的、特征和優(yōu)點。為了容易理解和簡化起見，在各部分的說明中的零件基本相同的情況下。在說明中使用相同的零件標(biāo)號，附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的FluistorTM微型閥的簡化剖視圖；圖2是本發(fā)明的組合式常閉電動閥的簡化剖視圖；圖2A是圖2所示的閥的一部分的放大圖；圖3是本發(fā)明的一種備選的內(nèi)腔和加熱器結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖4是本發(fā)明的另一種備選的內(nèi)腔和加熱器結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖5A是本發(fā)明的一種備選的加熱器結(jié)構(gòu)的一部分的平面圖；圖5B是本發(fā)明的使用圖5A的加熱器的另一各備選的內(nèi)腔和加熱器結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖6是圖2所示實施例的平面圖；圖7是本發(fā)明的閥件的另一種實施例的視圖；圖8A和8B是本發(fā)明的備選的中間閥口形式的剖視圖；圖9是本發(fā)明的另一種備選的中間閥口形式的剖視圖；圖10是本發(fā)明的再一種備選的中間閥口形式的剖視圖；和圖11是按照本發(fā)明的帶有一種任意的加力裝置的常閉式閥的實施例的剖視圖。
下面參看上述


本發(fā)明的實施例。上述的附圖是簡圖，只是為了容易理解和說明本發(fā)明的實施例。通過說明的各個實施例，熟悉本技術(shù)的人們都會明白體現(xiàn)本發(fā)明的實施例的具體方法和結(jié)構(gòu)的各種改型和改進(jìn)，所有這些根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容所作的并由本發(fā)明內(nèi)容所發(fā)展的改型、改進(jìn)或者說改變都應(yīng)認(rèn)為在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。例如，在本發(fā)明的一些實施例中采用帶單一閥口的閥，而在其他的實施例中則采用多閥口的閥。
可用于制造組合式閥結(jié)構(gòu)的部分實施例的工藝細(xì)節(jié)是早為熟悉本技術(shù)的人們所周知的，另外，已納入本文作為參考的“Zdeblick”專利(即美國專利No.4821997、4824073、4943032和4966646)也有工藝說明。因此，這里僅將一些認(rèn)為人們不易明白的某些工藝細(xì)節(jié)加以說明。
參看圖2，圖中示出按本發(fā)明的一個實施例制造的組合式的常閉電動閥50的部分簡化剖視圖。正如圖1所示的FluitorTM閥那樣，上述閥50分別由上層板16、中層板14和下層板12(或者說模片)構(gòu)成?；旧掀秸纳蠈影?6用于形成密封內(nèi)腔100的一個壁，在上層板16上位于內(nèi)腔100之內(nèi)安裝一個電阻加熱元件120。內(nèi)腔100的另一個壁由形成中層板14的一部分的柔性薄膜200構(gòu)成。密封內(nèi)腔100充滿工作流體130(以波紋線表示)，該流體130一般為介電物質(zhì)，例如氟塑料，加熱時它膨脹，冷卻時它收縮。因此，當(dāng)加熱件130接上電源并使工作流體130加熱時，流體130便膨脹，使薄膜200向外彎曲或者說向外撓曲。
柔性薄膜200除了構(gòu)成內(nèi)腔100的壁之外，還位于閥件300的附近上。薄膜200通過支座220在連接點310上與閥件300機(jī)械連接。柔性薄膜200與閥件300的上述連接有利于將薄膜200的移動傳遞到閥件300上。
由柔性薄膜200的接閥部分220和中間層板14的閥口部分230構(gòu)成一個中間層或者說閥口400。上述的部分220和230限定閥口400的尺寸和形狀，并形成一個圍繞閥口400的周邊密封區(qū)450，如圖2A示出的圖2中的閥口400、薄膜200和閥件300的放大圖所示。閥口400的一些實施例具有在閥件300內(nèi)形成的閥座區(qū)410，在另外的實施例中，閥座區(qū)(未示出)則在周邊密封區(qū)450內(nèi)形成。在圖2和2A所示的實施例中，當(dāng)閥50未起動時，周邊密封區(qū)450和閥件300緊密接觸，于是，閥口400是關(guān)閉的或者說密封的。這種閥50被稱為常閉式閥。在另外的實施例中，當(dāng)閥50未起動時，周邊密封區(qū)450和閥件300彼此隔開(未示出)，于是閥口敞開，這種類型的閥被稱為常開式閥。
在下層板12上設(shè)置一個出口510和一個入口520。出口510通過輸出通道240與閥口400流體連接，入口520通過輸入通道540和250與閥口400流體連接。因此，在閥口400關(guān)閉的同時，入口520與出口510離隔。但是，當(dāng)工作流體130被加熱而膨脹時便使柔性薄膜200撓曲或者說移動。這種移動通過支座220推動閥件300，并使閥件300轉(zhuǎn)動或者移動而離開閥座區(qū)410，從而打開閥口400，這樣，便使出口510通過通道240、250和540與入口520形成流體連通。
所述的閥50的各個部分可看成幾個獨立的功能塊，因此能量轉(zhuǎn)換部分通過加熱工作流體130使薄膜200撓曲而將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，中間閥部分通過一個致動器與上述機(jī)械能相配合，引起可打開和/或關(guān)閉閥口的移動。最后，流體連通和導(dǎo)向部分與中間閥口相連接，使閥的結(jié)構(gòu)形成流體連通。如圖2所示，上述的功能塊可以由一個或幾個層板12、14和16構(gòu)成。因此，圖2所示實施例具有一個包含兩個部分即上層板16和中層板14的能量轉(zhuǎn)換部分。同理，流體連通部分也包含所有三個層板部分。
再看圖2，可以看出，柔性薄膜200應(yīng)當(dāng)既要足夠地薄到能撓曲，又要足夠厚到具有足夠的強度，以便在閥50的工作過程中通常所受到的力的作用下不會破裂。另外，柔性薄膜200既是密封內(nèi)腔100的一部分又是通道250的一部分。所以，薄膜200將既與工作流體130接觸又與閥50控制的任何流體接觸。薄膜200的與受控流體相接觸的那些部分通常稱之為“濕表面”。在圖2的實施例中，薄膜200由中層板14形成，并且，可以看出，中層板14的其他各部分都與下層板12和上層板16相連接。因此，選擇制造中層板14的材料要考慮(除了其他因素外)如下要求強度、柔性、與薄膜200的相容性以及中層板14的材料與層板12、16的材料的連接或者說粘接的問題。在本發(fā)明的某些實施例中，業(yè)已發(fā)現(xiàn)選用硅作為層板14的材料是有利的，當(dāng)然也可以選用其他合適的材料。
閥件300通常與由層板14、16形成的閥的部分分開制造，并且通過與支座210的機(jī)械連接安裝在鄰近閥口400的位置。正如上面對層板14所述，閥件300也具有“濕表面”，并要求具有足夠的強度以關(guān)閉閥口400。另外，在本發(fā)明的一些實施例中，閥件300還提供抵抗柔性薄膜200所作的移動的一部分或全部的回復(fù)力。因此，正如下面會看到的那樣，閥件300的材料應(yīng)能產(chǎn)生上述的回復(fù)力。雖然可以看到閥件300的形狀可以從圖2所示的基本上平坦的形狀加以改變，但是，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，對于閥件300與層板14的相容性以及硅的微切削加工技術(shù)的可行性來說，選用硅來制造閥件300是有利的。
在圖2所示的實施例中，下層板12用于構(gòu)成出口510和入口520或其中的一個以及通道540，因此，正如上面對層板14所述，層板12也有“濕表面”，層板12的材料應(yīng)當(dāng)與閥50控制的流體相容。層板12還用作閥50的其他部分的安裝結(jié)構(gòu)，并用作將閥50連接到使用該閥的設(shè)備中去的安裝結(jié)構(gòu)。因此，層板12對于上述的安裝功能應(yīng)具有足夠的強度和耐久性。另外，在本發(fā)明的一些實施例中，使用一種輔助加力裝置(未示出)對閥件300加力。在使用這種輔助加力裝置的場合，常用層板12安裝這種裝置。雖然已發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)材料有利地具有層板12所要求的特性，但是也可以用其他合適的材料。例如，在一些實施例中，采用各種陶瓷材料如氧化鋁，但在另一些實施例中采用硼硅玻璃或石英材料。
在圖2所示實施例中，層板16用來支承和固定加熱件120并構(gòu)成密封內(nèi)腔100，另外，它還用于構(gòu)成通道240的一部分，因此也有一些“濕表面”?？梢岳斫?，加熱件120僅用于加熱工作流體130而流體130的冷卻在很大程度上是通過與層板16的接觸完成的。因此，在本發(fā)明的一些實施例中，層板16選用具有良好導(dǎo)熱性的材料。但是，在加熱件120是電阻加熱元件的場合，層板16的材料一般選用介電材料，以防加熱件120短路。在一些實施例中，用遠(yuǎn)距輻射源提供的輻射能加熱流體130。在這類實施例中，層板16選用可透射輻射能的材料。因此，層板16可以選用各種材料包括(但不限于)石英、硼硅玻璃、陶瓷、藍(lán)寶石、硅或塑料來制造。于是，可以理解，本發(fā)明的實施例包含各種各樣的可制造閥件300以及各層板12、14和16的材料，而且對閥件300或各層板的具體材料的選擇是一種考慮上述諸多因素的設(shè)計選擇。還可進(jìn)一步理解，所有上述的設(shè)計選擇都包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
如上所述，薄膜200既要具有強度又要具有柔性。但是，具體的薄膜200的柔性和強度的最佳匹配可按各種具體用途而改變。因此，在本發(fā)明的一些實施例中，主要考慮柔性，而在另外的實施例中，強度比柔性更為重要。雖然選用層板14的材料是薄膜200的強度和柔性的一個重要因素，但是，這兩種特性的平衡也可通過改變薄膜200的厚度和形狀來達(dá)到。因此，在層板14選用[100]硅的場合下，薄膜的典型厚度約為50微米。但是，薄膜200也可厚些或薄些，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，厚度范圍最好約為10～100微米。另外也發(fā)現(xiàn)，改變薄膜200的形狀或者說截面形狀，也可影響到薄膜200的柔性與強度之間的平衡。因此，雖然在本發(fā)明的一些實施例中使用厚度大致均勻的柔性薄膜200，但是在另外的實施例中則使用厚度不均勻的薄膜200，例如，在一些實施例中，薄膜200具有厚度變化的臺階式截面形式。而在另外的實施例中，薄膜200被做成具有從邊緣至中心逐漸減小的厚度。因此，可以采用為滿足具體用途的要求而設(shè)計的任何截面形狀，以達(dá)到具體應(yīng)用的閥50的柔性與強度間的正確平衡。
人們熟知制造圖2所示的閥50的幾種結(jié)構(gòu)的各種方法。但是，這些方法的內(nèi)容已超出本發(fā)明的范圍，故這里只說明這類方法的實例。例如，在“Zdeblick”專利中公開的制造方法(該專利已納入本文作為參考)可用來制造閥50的各種構(gòu)件。另外，其他的制造方法如DEM(電火花加工)、電化學(xué)腐蝕、噴砂、模壓、壓花、LIGA(大規(guī)模集成電路)和金剛石切削法也可以用。應(yīng)當(dāng)理解，要得到本發(fā)明的利益并不取決于所用的制造方法，因此，上面所提到的或者“Zdeblick”專利所公開的任何一種或全部方法都可用來制造上述的結(jié)構(gòu)件。
再看圖2，圖中示出內(nèi)腔100裝滿了工作流體130，選擇工作流體130的一條準(zhǔn)則是共膨脹系數(shù)。膨脹系數(shù)大的工作流體130將會使薄膜200在任何設(shè)計的工作溫度范圍內(nèi)都具有較大的移動范圍。如上所述，工作流體130對于內(nèi)腔100的材料是化學(xué)上惰性的，彼此間化學(xué)上惰性的材料意味著相互間基本上不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。另外，所選定的流體130的材料應(yīng)當(dāng)在任何閥50的設(shè)計溫度范圍內(nèi)保持液態(tài)(雖然在一些實施例中工作流體130含有一部分蒸汽)。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，許多材料都可滿足上述要求，因此，工作流體130可以用水、乙醇或其他醇、和氟碳化合物系列中的許多化合物，例如在一些實施例中，采用可在市場購得的商標(biāo)為Fluorinert的材料。
雖然在圖2未示出，內(nèi)腔100通常具有注入流體的孔，該孔在往內(nèi)腔100注滿流體后用封孔件牢牢密封之。在一些實施例中，內(nèi)腔100在相當(dāng)于閥50在工作時受到的最高環(huán)境溫度下注入流體130并密封之。在另一些實施例中，內(nèi)腔100在相當(dāng)于閥50在工作時受到的最高壓力下注入流體130并密封之。而在一些實施例中，則是在具體的溫度和壓力的綜合作用下注入流體130并密封之。
在一些實施例中，所制出的閥50用于通常認(rèn)為是“超凈”的工藝過程(例如在半導(dǎo)體工業(yè)和制藥工業(yè)上)中。如上所述，在圖2所示的實施例中，閥件300的上層板16、中層板14和下層板12幾個部分都具有與閥50控制的流體相接觸的“濕表面”。為了保證與上述超凈工藝相適應(yīng)，閥50的具體實施例最好做成帶有涂上一種或多種與具體工藝相適應(yīng)的材料的“濕表面”的形式。為了用于制藥工業(yè)，“濕表面”上涂上特氟隆材料是合適的。雖然在一些半導(dǎo)體工業(yè)的用途中也可用涂上特氟隆的表面，但是閥50也可以制成帶有涂上鉻、碳化硅、氮化硅、氧化硅或似碳金剛石的“濕表面”以承受不適宜用特氟隆的環(huán)境。因此，在結(jié)構(gòu)上彼此相似的一類閥都可制成帶有涂上適宜具體用途的不同材料的“濕表面”。另外，在閥50由一個或多個層板或模片制成的情況下，選用的“濕表面”的材料應(yīng)與任何用于使各層板間互相連接的連接工藝相適應(yīng)。例如，若選用陽極連接工藝將硅層板14連接到具有涂上鉻障層(未示出)的“濕表面”的硼硅層板16上，那么應(yīng)去除層板16的連接面上的鉻，以便得到一種結(jié)合力強的有效的連接。但是也可以用其他的連接工藝?yán)缡褂玫碗x子含量的環(huán)氧衍生物、易熔玻璃等的連接工藝。
電阻加熱件120可以用任何與選定的具體連接工藝相適應(yīng)的通用電阻材料來制造。例如，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在采用陽極連接工藝將硼硅玻璃上層板或者說模片16連接到硅質(zhì)中層板14上的場合，最好是用鈦層板制成加熱件120的第一層，以便使層板16與構(gòu)成電阻元件的下一層鉑層具有粘結(jié)性。其他類型的電阻元件也可以用。因此，在一些實施例中，可使用具有正溫度系數(shù)(PTC)的電阻材料。如所周知，上述PTC材料的電阻值將隨工作流體130溫度的升高而增大，因此有利于減小功率消耗并限制加熱件120超溫。上述PTC材料的一個實例是BaTiO2(鈦酸鋇)。在本發(fā)明的一些實施例中，使用多個分別控制的加熱件120，例如，業(yè)已發(fā)現(xiàn)。最好是用第一個加熱件產(chǎn)生恒定的基本溫度，第二個加熱件產(chǎn)生用于使工作流體300膨脹的瞬變溫度。在一些用途中，第一加熱件和第二加熱件都是同一類型的，例如都用PTC元件，而在其他的實施例中，則用加熱裝置與冷卻裝置(下面將談到)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。
如上所述，加熱件120是能量轉(zhuǎn)換部分的一個部分，它用于(在圖2所示實施例中)將電能轉(zhuǎn)換成熱能并將該熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械運動。參看圖3，圖中示出上述能量轉(zhuǎn)換部分的另一個實施例。為了易于理解，僅示出說明圖3實施例所需要的上層板16和中層板14的那些部分?？梢钥吹絻?nèi)腔100具有一個第一部分104和一個鄰近柔性薄膜205的第二部分106。如圖所示，第一部分104比第二部分106小，并具有一個插入孔150中的插入式加熱件140?？?50用密封件160密封，以便保持加熱件140定位，并氣密地密封內(nèi)腔100。
雖然圖3的實施例示出帶有兩個部分的內(nèi)腔100，但是在其他實施例中，內(nèi)腔100可以只具有一個如圖2所示的單一部分。但是，業(yè)已發(fā)現(xiàn)在使用插入式加熱件時，最好用具有兩部分的內(nèi)腔100，其中第一部分104是一個小的加熱部分。這樣，在部分104內(nèi)的流體130以很高的速度加熱而引起流體130快速膨脹。然后，膨脹中的流體130從加熱部分104推過通道108進(jìn)入部分106，增大了部分106內(nèi)的流體的體積，從而引起柔性薄膜205撓曲。因此這一重要的液壓作用有利于快速控制薄膜205的移動。
加熱件140帶有兩根穿過密封孔150的導(dǎo)線142，在部分104內(nèi)與幾個環(huán)圈144端接。可以理解，加熱件140可以有很多形狀，圖中所示的形狀僅僅是說明性的。還可以理解，很多種材料都可以用于制造加熱件140的零件。例如，兩根導(dǎo)線142可以是一種具有低電阻的第一材料，而環(huán)圈144則是一種具有高電阻的第二材料，或者也可以是環(huán)圈與導(dǎo)線用同一種材料。導(dǎo)線142可以安裝在一種支承件(未示出)上，或者如圖所示，用密封件160作為支承件。另外，環(huán)圈144可以用具有不同熱特性或熱容量的各種材料制成。另外，還可以用與環(huán)國不同的其他形狀來提供與部分104內(nèi)的加熱流體130相接觸的相等的表面積。因此，在本發(fā)明的某些實施例中，用一種插入式加熱件140來產(chǎn)生高于所用具體流體130的沸點的溫度。這樣，流體130的局部蒸發(fā)形成氣泡。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在一些用途中，形成上述氣泡有利于加強控制具體柔性薄膜205或200(圖2)的撓曲。因此可以一起制出相同的幾個閥50，然后對每個閥50選用不同的插入式加熱件140，這就可提供適用于不同用途的閥。
參看圖4。圖中示出另一種加熱件和內(nèi)腔的形式。與圖2的實施例不同，圖4的實施例中的上層板16做成帶有幾個凸部170，每個凸部170的端部176帶有加熱件或者增強件174。這樣，由加熱件174產(chǎn)生的加熱效果移近到要接近內(nèi)腔100中央部分上的柔性薄膜200，從而對流體130更均勻地加熱。因此可以將用于加熱流體130的能量有效地轉(zhuǎn)換成薄膜200的機(jī)械移動。另外，凸部170用于增大層板16與工作流體130的接觸表面積，從而可加大通過層板16消耗熱量而冷卻流體130的作用。在層板具有凸部170的場合，一般選用硅質(zhì)材料并采用例如硅微切削加工方法制成層板16和其凸部170，但是也可用其他合適的材料和方法制造凸部170，例如，凸部170可以單獨制成再安裝在內(nèi)腔100內(nèi)。加熱件或者說增強件174在結(jié)構(gòu)上可與上述的加熱件120(圖2)相似。另外，加熱件174也可以是用熟悉本技術(shù)的人們所熟知的擴(kuò)散法或離子流入法形成的滲硅區(qū)。另外，凸部170的長度和形狀可根據(jù)安置加熱件170在最佳位置或改變冷卻流體130所需表面積而變化。
圖5A是另一種能量轉(zhuǎn)換部分的又一個實施例的部分平面圖。加熱層180具有3個加熱件182。在一些實施例中，加熱層180是一種具有沿晶面優(yōu)先腐蝕的優(yōu)點的[111]硅質(zhì)材料。因此，通過從相對兩側(cè)腐蝕加熱層180去掉區(qū)域184中的全部硅留下用于機(jī)械連接和電連接的硅連接區(qū)186而制成加熱件182，并成為圖中所示的大致為六角形的加熱件。但是，加熱件182也可以是其他形狀的，而且也可以用其他的方法例如上述的制造閥50的其他部分的方法來制成上述的其他形狀的加熱件182。
參看圖5B。圖中示出沿圖5A的B-B’線的包含加熱層180的另一種形式的內(nèi)腔和加熱件的剖視圖。內(nèi)腔100位于上層板16與中層板14之間并具有加熱層180，這樣，用加熱層180將加熱件182固定在內(nèi)腔100內(nèi)，以提供很大的幾乎是整個內(nèi)腔100的加熱表面積。因此，可快速加熱工作流體130，并通過流體130的膨脹使薄膜200撓曲。
可以理解，圖2～圖5B所示實施例僅僅是本發(fā)明范圍內(nèi)的各種類型加熱件的示例。因此，如所周知，對上述加熱件代之以其他類型或結(jié)構(gòu)的加熱件是屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的設(shè)計選擇改型。例如，在本發(fā)明的一些實施例中，用安裝在內(nèi)腔100之外不與流體130直接接觸的加熱件(未示出)，例如安裝在內(nèi)腔100之上方上層板16的表面110(圖2)上的加熱件進(jìn)行加熱。另外，雖然圖2～5B的說明性的實施例僅僅談到加熱件，但是，也可以說明其他構(gòu)件。因此，在本一些實施例中，有利地提供了對流體130的有效的加熱和有效的冷卻。例如，可在內(nèi)腔100之上方層板16的表面110上安裝一臺珀爾帖加熱泵而構(gòu)成既有有效加熱能力又有有效冷卻能力的實施例。這樣，便可加強冷卻。
閥件300是中間閥部分的一個部分，在圖2所示的本發(fā)明實施例中，閥件300密封住閥口400。參看圖6，該圖示出從下層板12透過層板14看閥件300的平面圖，圖中的C-C’線表示圖2視圖的位置。由于下閥件300和下層板12的幾個部分遮住了中間層板14的幾部分和由中間層板14形成的結(jié)構(gòu)，這些被遮住的要談到的結(jié)構(gòu)用虛線示出。大致為矩形的閥件300置于與柔性薄膜200的一部分相重疊的位置?？梢栽陂y件300上層板14與12之間做出任意的平面支撐304來加強閥件300與層板14之間的平面性。圖6中用實線示出可通過入口520看到的柔性薄膜200的一小部分。在下層板12做出出口510，該出口510通過通道240與中間閥口400相連接。閥件300安裝在支座210上，所以薄膜200的撓曲將使支座220推動閥件300，并打開閥口400，或者抽拉閥件300關(guān)閉閥口400。
在本發(fā)明的其他實施例中，用另一種結(jié)構(gòu)的閥件300促使閥50的性能適應(yīng)具體的用途。圖7示出閥件300(圖2)的另一個實施例，通過改型的閥件產(chǎn)生關(guān)閉閥的附加力。圖7示出的閥件340在其相對兩側(cè)形成了梁344，每個梁344的自由端346牢牢地安裝在閥50的非移動部分上。例如，可安裝到層板14上鄰近柔性薄膜200或鄰近層板12(圖2)的一部分的位置上。因此，當(dāng)閥件340從其靜止位置偏轉(zhuǎn)時，便在每個梁344內(nèi)產(chǎn)生一種恢復(fù)力。由于該力的大小隨閥件340的偏轉(zhuǎn)而增大，故可通過改變梁344的長度、寬度、位置和形狀來控制所需力的大小。
圖8A示出閥件300的另一種替代的結(jié)構(gòu)。為了容易看懂，圖中僅示出圍繞閥口400的區(qū)域。在閥件300上用柔性部件420形成閥座區(qū)410。對于每種具體的用途可以選用不同的柔性部件420。因此，在一些用途中，柔性部件420選用塑料，在另外的用途中則選用氟塑料，而在其他的用途中，還可用金屬材料。部件420可以是帶有一個或幾個如圖所示的凸部425(如上所示)的模壓件，或者可在部分220和230的密封表面上做出凸脊(未示出)。在一些實施例中，既帶有凸脊又帶有凸部425。下面參看圖813。在本發(fā)明的另一個實施例中有利地使用密封圈430。如圖所示，密封圈430被閥件300鎖定而形成閥座區(qū)410，例如，由帶有兩部分即一個形成的上部分302和一個大致平坦的下部分304的閥件300按類似于圖8A所示的方式形成閥座區(qū)410。在另外的實施例中(未示出)，由在部分220和230上形成的槽來鎖定密封圈而形成另一種閥座區(qū)410。因此，當(dāng)閥口對于柔性部件420(圖8A)或柔性密封圈430(圖8B)關(guān)閉時，便加強對閥口400的密封。這種加強的密封可有利地用于需要低漏泄率的用途上。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，使用圖8B所示的密封圈430或圖8A所示的帶有凸部425的柔性部件420或任其他同類的合適構(gòu)件，可使氦漏氣率達(dá)到1×10-6～＜1×10-9毫升大氣壓/秒。
參看圖9，圖中示出本發(fā)明的閥件的另一個替代實施例。如圖所示，柔性薄膜200具有一個部分地伸入閥口400與球閥件330相接觸的薄膜凸部220，球閥件330層疊在彈簧片狀的薄膜500上。因此，可以看出，當(dāng)薄膜200撓曲時，便通過伸出部220推動球閥330，使之與閥座410脫離接觸，并可通過閥口400形成流體連通。當(dāng)球閥件330從閥座410移動而弄彎彈簧片狀的薄膜500時，便產(chǎn)生一個關(guān)閉閥口的力。這種由薄膜500產(chǎn)生的關(guān)閉閥口的力相當(dāng)于例如由圖7的梁344產(chǎn)生的閥件340的關(guān)閉力。球閥件330可用堅硬的基本上不可壓縮的材料制成，或者，球閥件330也可具有一定程度的柔性。同理，閥座410也可以是具有柔性或不具有柔性的。圖9的實施例可以有各種各樣的形式(未示出)，這些形式均屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，閥件330可具有非球形的形狀，例如錐形，或其他合適的可用于密封閥口400的形狀。另外，當(dāng)閥件330和閥座410用堅硬而又有柔性材料制成時，也可得到低的漏泄率。
參看圖10，圖中示出按本發(fā)明實施例的閥件和閥座的另一個實施例。使用一種提動式閥件360密封中間閥口400。閥件360具有缺口362，用于固定密封閥口400的密封國364或其他柔性部件。通過使密封圈364與圍繞閥口400周邊形成的閥座區(qū)414相接觸而將閥口400密封，如圖10所示。提動式閥件360按照類似于圖9所示的球形閥件330的方式移動。因此，柔性薄膜200具有與提動閥件360的上部分368相接觸的薄膜凸部224。應(yīng)當(dāng)理解，圖中所示的具體結(jié)構(gòu)僅僅是說明性的，也可以用其他形式的提動式閥件。另外，雖然圖中示出密封圈364固定在閥件360內(nèi)，但是，在一些實施例中，用閥座區(qū)414來固定密封圈364。提動式閥件360也可以做成帶有回復(fù)力裝置，例如按裝置500(圖9)的方式形成的裝置。另外，在提動式閥件360和閥座414用堅硬而又有柔性材料而制成的場合，也可達(dá)到低的漏泄率。
熟悉閥技術(shù)的人們都會理解，除了上述的實例之外，閥座和閥件的許多改型是眾所周知的。因此，不可能詳述每種結(jié)構(gòu)。另外，應(yīng)當(dāng)明白，上述的納入“Zdeblick”專利以及其他已知的方法作為參考的方法都可用于制造上述的各種形式的閥件和閥座。因此，應(yīng)當(dāng)理解，按各種組合所用的各種形式的柔性的和/或非柔性的閥座和閥件均應(yīng)納入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
如上所述，使用可壓縮的柔性部件可加強閥口400的密封并降低漏泄率。但是，這種加強密封的能力也可要求施加一個回復(fù)力或者說關(guān)閉力來壓縮柔性部件。在圖9的實施例中，用彈簧片式的薄膜500產(chǎn)生上述的力。但是，在其他的實施例中，可用其他的加力機(jī)構(gòu)。在一些實施例中，這種其他的加力機(jī)構(gòu)用于輔助關(guān)封中間閥口，而在另外的實施例中，加力機(jī)構(gòu)用于輔助打開中間閥口。
參看圖11。圖中示出本發(fā)明的另一個實施例，其中，使用加力機(jī)構(gòu)510來加大本發(fā)明的閥的關(guān)閉力?？梢钥闯?，圖11的實施例基本上就是圖2的實施例，但加了一個設(shè)置在閥件300與下層板12的一部分之間的加力機(jī)構(gòu)510。這樣，當(dāng)支座210推動閥件300而打開中間閥口400時，加力機(jī)構(gòu)510受壓，這種受壓狀態(tài)會產(chǎn)生關(guān)閉閥的力。應(yīng)當(dāng)明白，雖然圖中示出機(jī)構(gòu)510是圈彈簧的形式，但是，其他的形式也是可以的。例如，加力機(jī)構(gòu)510可做成薄片彈簧、扭轉(zhuǎn)棒或其他合適的機(jī)構(gòu)。另外，如圖9實施例所述，使用獨立的加力機(jī)構(gòu)例如圖9的500或圖11的510，可以在閥的設(shè)計中有較大的靈活性，以滿足具體的用途。
除了如上所述通過壓縮加力機(jī)構(gòu)510產(chǎn)生關(guān)閉閥的力以外，也可施加打開閥的力。當(dāng)用在通道540的壓力此通道240的壓力大得多的場合時，由薄膜200本身產(chǎn)生的力不足于打開中間閥口400。因此，在本發(fā)明的一些實施例中，將加力機(jī)構(gòu)510設(shè)計成當(dāng)閥口400關(guān)閉時它處于拉伸狀態(tài)。這樣，加力機(jī)構(gòu)510便產(chǎn)生一個薄膜200的移動來控制的打開閥口的力。
至此應(yīng)認(rèn)識到，已經(jīng)說明了組合式電動微型閥的各種實施例。還將了解到所述的各種實施例包括了所述微型閥件的各種改型實施例的組合。因此，在還要求能控制腐蝕流體并降低漏泄率的場合?？梢圆捎萌嵝蚤y座件、凸脊?fàn)畹臉?gòu)件和/或加力機(jī)構(gòu)的各種組合，以便得到多種按照本發(fā)明的微型閥。另外，應(yīng)當(dāng)理解，這種設(shè)計具體用途的微型閥的具體實施例的靈活性尤其能夠為上述實施例的功能塊進(jìn)行設(shè)計。因此，與“Zdeblick”專利所述的現(xiàn)有技術(shù)不同，本發(fā)明的微型閥涉及例如低漏泄率的實施例，該實施例不要求改變?nèi)嵝员∧ぃ驗槿嵝员∧げ恢苯佑糜诿芊忾y口。另一方面，上述的功能塊設(shè)計可納入具有插入式加熱件140(圖3)的能量轉(zhuǎn)換部分。因此，按照本發(fā)明的微型閥可大批制造，并可通過改變所用的加熱件140的類型來適應(yīng)具體的用途。這樣，可以降低制造成本并保持適應(yīng)廣泛應(yīng)用的高度靈活性。
雖然上面討論的本發(fā)明的具體實例已示出一種常閉式閥50，但是，熟悉本技術(shù)的人們將會明白上述實施例的常開閥結(jié)構(gòu)。例如，圖2所示的閥可做成在溫度低于閥的工作溫度范圍時基本上密封內(nèi)腔100的常開式閥。這樣，當(dāng)閥加熱到工作溫度時，柔性薄膜200將會撓曲而打開中間閥口400。為了關(guān)閉閥，就要冷卻工作流體，例如，可用上述提到的珀爾帖熱泵來實現(xiàn)這種冷卻。
應(yīng)當(dāng)明白，按照本發(fā)明制造的閥可以是獨立的閥，或者是與任何一種現(xiàn)有技術(shù)的流量檢測裝置相加接的閥。另外，還應(yīng)明白，本發(fā)明的微型閥可以打開或關(guān)閉到不同的程度。因此，按本發(fā)明制成的閥不僅可以控制流體流動或不流動，而且還可控制這種流體在連續(xù)的流速范圍內(nèi)的流量。例如，可通過改變由能量轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量大小來控制流體的流速。這樣，閥件的位置便與斷電狀態(tài)下的偏轉(zhuǎn)量成比例地改變。因此，本發(fā)明的實施例可以與一種能向閥提供動態(tài)反饋的組合的流量或壓力檢測裝置聯(lián)在一起，從而動態(tài)地控制流速或所提供的壓力。在用檢測裝置檢測流速的場合，微型閥通常被稱為流量控制器。而在用檢測裝置檢測壓力的場合，微型閥通常被稱為壓力控制器。例如，按照本發(fā)明，一個流量控制器可包含一個帶有一個第一壓力檢測器的流量檢測裝置、一個限流器和一個用于測量沿限流器的壓力降的第二壓力檢測器。如所周知，對于一種預(yù)定的限流來說，可將壓力降精確地標(biāo)定為一種具體流體的流速。因此，如上所述的流量檢測裝置可對選定的具體流體提供動態(tài)的流速控制。
權(quán)利要求
1．一種組合式電動微型閥，含有一個含有流體入口和流體出口的導(dǎo)流構(gòu)件；一個在上述導(dǎo)流構(gòu)件內(nèi)形成的與上述流體入口和上述流體出口形成流體連接的流體連通通道；一個在上述流體連通通道內(nèi)形成的中間閥口，其中上述的流體入口通過上述的中間閥口與上述的流體出口閥成流體連接；一個活動地安裝在上述的流體連通通道內(nèi)的中間閥口附近的閥件；和一個能量轉(zhuǎn)換裝置，該裝置具有一個與上述閥件機(jī)械連接的柔性薄膜，其中上述的能量轉(zhuǎn)換裝置將輸入的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而通過上述的柔性薄膜使上述閥件移動，以打開或關(guān)閉上述的中間閥口。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的能量轉(zhuǎn)換裝置含有一個由一個或多個模片形成的構(gòu)件，該構(gòu)件具有一個密封的內(nèi)腔，上述的柔性薄膜就是該內(nèi)腔的一個壁。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的密封內(nèi)腔裝有流體，該流體是一種會隨溫度升高而膨脹、并隨溫度降低而收縮從而使上述薄膜移動的材料。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的組合式電動微型閥，其特征在于，含有一個加熱和/或冷卻的裝置，其中，上述的加熱和/或冷卻的裝置與上述的密封內(nèi)腔是熱連接的。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的加熱和/或冷卻的裝置安裝豐述密封內(nèi)腔的一個壁上。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的加熱和/或冷卻的裝置是一個珀爾帖熱泵。
7．根據(jù)權(quán)利要求2的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的能量轉(zhuǎn)換裝置是一種安裝在上述密封內(nèi)腔之內(nèi)表面上的用電阻材料制成的電阻加熱器。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的電阻加熱器是一個帶有固定在安裝部分上的加熱部分的電阻元件，上述的安裝部分與上述的柔性薄膜隔開一預(yù)定的距離。
9．根據(jù)權(quán)利要求2的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的密封內(nèi)腔含有一個第一部分和一個第二部分，上述的柔性薄膜是上述第二部分的一個壁。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的組合式電動微型閥，其特征在于，在上述密封內(nèi)腔的上述第一部分內(nèi)包括一個插入式加熱器。
11．根據(jù)權(quán)利要求8的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的加熱器具有多個加熱件，每個加熱件至少具有兩個加熱表面。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的組合式電動微型閥，其特征在于，含有一個在上述閥口的周圍形成的柔性閥座區(qū)。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的組合式電動微型閥，其特征在于，含有一個在上述閥件上形成的并與上述柔性閥座對準(zhǔn)的凸脊?fàn)畹臉?gòu)件，當(dāng)上述的閥件座合在上述柔性閥座上時，其氦漏泄率等于或小于1×10-6毫升-大氣壓/秒。
14．根據(jù)權(quán)利要求1的組合式電動微型閥，其特征在于，含有一個在上述閥件上形成的其位置與圍繞上述閥口的周邊區(qū)對準(zhǔn)的柔性閥座。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的組合式電動微型閥，其特征在于，含有一個在上述閥口的上述周邊區(qū)形成的并與上述柔性閥座對準(zhǔn)的凸脊?fàn)畹臉?gòu)件，當(dāng)上述的閥件座合到上述柔性閥座上時，其氦漏泄率等于或小于1×10-6毫升-大氣壓/秒。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的柔性閥座含有一個由上述閥件鎖定的密封圈。
17．根據(jù)權(quán)利要求15的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的柔性閥座是一個由上述閥件鎖定的模壓的柔性閥座，其中，上述模壓的柔性閥座具有對準(zhǔn)圍繞上述閥口的上述周邊區(qū)的凸出部分。
18．根據(jù)權(quán)利要求1的組合式電動微型閥，其特征在于，上述導(dǎo)流構(gòu)件含有一個溫區(qū)，該濕區(qū)是由與超凈的和/或腐蝕性的材料的工藝相適應(yīng)的材料構(gòu)成的。
19．根據(jù)權(quán)利要求1的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的柔性薄膜用硅制成。
20．根據(jù)權(quán)利要求1的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的柔性薄膜含有一個與上述閥件機(jī)械連接的支座，該支座在上述柔性薄膜移動時使上述閥件移動。
21．根據(jù)權(quán)利要求1的組合式電動微型閥，其特征在于，還含有一個與上述閥件相連接的加力機(jī)構(gòu)，該加力機(jī)構(gòu)對上述閥件施加力。
22．根據(jù)權(quán)利要求21的組合式電動微型閥，其特征在于，對上述閥件放力使上述閥件座合到上述閥座上，從而在上述的組合或電動微型閥斷電時關(guān)閉上述的中間閥口。
23．根據(jù)權(quán)利要求21的組合式電動微型閥，其特征在于，對上述的閥件施加的力阻止上述閥件座合到上述閥座上，從而在上述的組合式電動微型閥斷電時，保持上述的中間閥口的敞開。
24．根據(jù)權(quán)利要求1的組合式電動微型閥，其特征在于，上述的閥件大致為球形的。
25．一種組合式的微型閥，含有一個帶有一個入口和一個出口的導(dǎo)流構(gòu)件；一個在上述導(dǎo)流構(gòu)件內(nèi)形成并與上述的入口和上述的出口相連接的流體連通通道；一個在上述流體連通通道內(nèi)形成的中間閥口，其中，上述的入口通過上述的中間閥口與上述的出口相連接，上述的中間閥口還包含一個閥座。一個可移動地配置在上述中間閥口附近以便座合在上述閥座上的閥件；一個具有一個第一壁和至少一部分第二壁的密封內(nèi)腔，上述的第一壁與上述密封內(nèi)腔內(nèi)的加熱器相連接，上述的第二壁形成一個與上述閥件機(jī)械連接的柔性薄膜；和一種盛儲在上述內(nèi)腔的工作流體，當(dāng)上述的加熱器加熱上述工作流體時，該流體膨脹，推動上述的柔性薄膜和上述閥件，以控制上述入口與上述出口之間的流體連通。
26．一種流量控制器，含有一個按照權(quán)利要求1的組合式電動微型閥；和一個檢測流量率的裝置，其中該裝置對上述的能量轉(zhuǎn)換裝置提供動態(tài)反饋，以改變上述閥件在上述流體連通通道內(nèi)的位置。
27．一種壓力控制器，含有一個按照權(quán)利要求1的組合式電動微型閥；和一個檢測壓力的裝置，其中上述裝置對上述的能量轉(zhuǎn)換裝置提供動態(tài)反饋，以改變上述閥件在上述流體連通通道內(nèi)的位置。
全文摘要
制成組合式電動微型閥以控制流體流量和壓力。這種閥通過一個具有一個帶有柔性壁(200)的密封內(nèi)腔(100)的能量轉(zhuǎn)換裝置(120)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。上述密封內(nèi)腔(100)內(nèi)裝有加熱時膨脹、冷卻時收縮從而引起柔性壁(200)移動的流體(130)。利用上述壁(200)或者說薄膜(200)的移動來移動閥件(200)并動態(tài)控制閥口(400)在預(yù)定范圍內(nèi)的開啟或關(guān)閉。
文檔編號B81B3/00GK1238029SQ97199880
公開日1999年12月8日 申請日期1997年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月27日
發(fā)明者J·M·哈里斯, B·A·科扎德, 小D·A·霍普金斯, J·S·菲奇 申請人:紅木微系統(tǒng)公司