专利名称：组合式电动微型阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及组合式电动微型阀领域，更具体地说，涉及用于工业上腐蚀性的用途和超净的用途的低漏泄率的组合式微型阀领域。
现有技术中已有微型切削加工的组合式阀。例如，Mark Zdeboick的美国专利No.4821997、4824073、4943032和4966646(下称Zdeblick专利，已转让给Stanford大学)公开过这类常开式阀的各种实施例，上述专利均纳入本文作为参考。这类阀通常含有三层结构，其中的上两层构成一个密封内腔，该内腔装有一种沸点低和/或膨胀系数高的流体，所述内腔的一个壁构成柔性薄膜。三层结构的上两层可以用硅、石英或玻璃基体、或其他任何合适材料制成。一般说来，至少有一个层或者说层板是硅制的，因为硅有利于微切削加工而形成内腔和柔性薄膜。“Zdeblick”专利的阀还在其密封内腔的内表面设有电阻元件。该电阻元件与电源连接，使通过电阻元件的电流产生加热效应。一般说来，底层具有一个阀座和在其中形成的阀口。关闭该阀口可挡住流体流动以阻止液流通过阀座和阀口。在“Zdeblick”专利中。当电流流过电阻元件时，封闭在内腔中的流体被加热而使柔性薄膜弯曲到足以与下层板上形成的阀座相接触，这样，就通过阀口切断输入通道与输出通道之间的流体流动。
在一些用途中适合于采用常开式阀，但在其他的用途中，则需要用常闭式阀，也就是那种在断电状态下没有流体从输入通道流至输出通道的阀。这种常闭式阀的一个实例是由Redwood微系统股份有限公司制造的FluistorTM(加州，Menlo Park，股分有限公司Rtdwood微系统商标)微型阀(Nc-105)。参看图1，图中简单示出上述阀处于断电状态的情况。在FluistorTM阀中，在中层或者说层板14中形成一个柔性薄膜20，该薄膜20也用作在中层板14与上层板16之间形成的内腔26的一个壁。内腔26内设置一个电阻元件或者说加热件30，用于加热密封在内腔26内的流体28(用“波纹”线表示)。选用的流体28应当在加热时可膨胀以便使柔性薄膜弯曲或移动。上述移动使得机械接头或者说支座22连接到下层板12上。如在FluistorTMNc-105阀那样，在层板12被固定的情况下，与支座22的位置相连系的柔性薄膜20的移动引起中层板14和上层板16分别移离下层板12。因此，层板12与中层板14分开，并且穿过层板12上形成的出口44与阀座区40脱开，或者说打开，这样，出口44打开。并与入口42形成流体连通。
FluistorTM阀用于控制非腐蚀性流体和/或要求氦漏泄率不低于约1×10-4毫升-大气/秒的场合可以很好地工作。但是，它不能用于要求控制腐蚀性流体和/或用于要求氦漏泄率等于或低于1×10-6毫升-大气压/秒的场合。另外，FluistorTM阀像“Zdeblick”专利的阀一样，用柔性薄膜20或其邻接的凸出部直接封闭阀口。这种直接应用柔性薄膜20的做法限制了设计阀5的可能性。
因此，需要一种可用于控制腐蚀性流体的组合式微型阀。还需要一种氦漏泄率能达到1×10-6毫升-大气压/秒或更低的组合式微型阀。另外，还需要一种可控制腐蚀性流体并可达到氦漏泄率为1×10-6毫升-大气压/秒或更低的组合式微型阀。最后，还需要一种可满足上述需要而不用柔性薄膜作为实际上直接密封阀口的构件的常开式或者常闭式微型阀。这样，就增加了设计的选择性并扩大了微型阀的潜在应用范围。
组合式微型阀(通常也称为超小型阀)使用一种带有可移动阀件的致动器的薄的柔性薄膜。该薄膜根据输入到能量转换装置上的能量而移动。因此，在一些实施例中，供入能量转换装置的电能被输入到电阻加热器，由该加热器产生的热能使装在密封内腔的流体膨胀，该膨胀的流体使柔性壁或者说薄膜挠曲。在一些实施例中，能量转换装置除了加热流体外还可冷却流体。
柔性薄膜通过一个致动器与阀件相连接，并且设置在一个或多个中间阀口附近。因此，薄膜的移动使阀件移动，打开或关闭每个阀口。每个阀口都与用作阀的输入通道和输出通道的通道形成流体连接，每个阀口都包含一个阀座。在一些实施例中，阀座是阀件的一部分，而在另一些实施例中，它是阀口的一部分。在一些实施例中，阀座具有可加强密封的柔性密封表面。在某些实施例中，在与上述的柔性密封表面相对的表面上形成一种凸脊，因此形成一个在关闭阀口时压缩上述柔性密封表面的较窄的边。这样，具有柔性密封表面的实施例的漏泄率比没有这种表面的实施例要低。在一些实施例中，加力装置设有弹簧或其他机构，以对阀件施加力。在本发明的一些实施例中，阀做成一种常闭式阀，而在另一些实施例中，阀做成一种常开式阀。在本发明的一些实施例中，与阀所控制的流体相接触的表面涂有惰性材料。这就制成了控制腐蚀性的和/或超净的流体的流速的阀。
在本发明的一些实施例中，将检测装置与阀做成整体。在一些实施例中，上述检测装置是流量检测器，而在另一些实施例中，检测装置是压力计。因此，在按照本发明的实施例而额外具有组合的检测装置以对能量转换部分的能量输入源提供动态反馈的场合，这类阀可以动态地控制流速和压力。
通过参看附图，熟悉本技术的人们将能更好地理解本发明，并可更明白本发明的许多目的、特征和优点。为了容易理解和简化起见，在各部分的说明中的零件基本相同的情况下。在说明中使用相同的零件标号，附图中图1是现有技术的FluistorTM微型阀的简化剖视图；图2是本发明的组合式常闭电动阀的简化剖视图；图2A是图2所示的阀的一部分的放大图；图3是本发明的一种备选的内腔和加热器结构的剖视图；图4是本发明的另一种备选的内腔和加热器结构的剖视图；图5A是本发明的一种备选的加热器结构的一部分的平面图；图5B是本发明的使用图5A的加热器的另一各备选的内腔和加热器结构的剖视图；图6是图2所示实施例的平面图；图7是本发明的阀件的另一种实施例的视图；图8A和8B是本发明的备选的中间阀口形式的剖视图；图9是本发明的另一种备选的中间阀口形式的剖视图；图10是本发明的再一种备选的中间阀口形式的剖视图；和图11是按照本发明的带有一种任意的加力装置的常闭式阀的实施例的剖视图。
下面参看上述
本发明的实施例。上述的附图是简图，只是为了容易理解和说明本发明的实施例。通过说明的各个实施例，熟悉本技术的人们都会明白体现本发明的实施例的具体方法和结构的各种改型和改进，所有这些根据本发明的内容所作的并由本发明内容所发展的改型、改进或者说改变都应认为在本发明的精神和范围之内。例如，在本发明的一些实施例中采用带单一阀口的阀，而在其他的实施例中则采用多阀口的阀。
可用于制造组合式阀结构的部分实施例的工艺细节是早为熟悉本技术的人们所周知的，另外，已纳入本文作为参考的“Zdeblick”专利(即美国专利No.4821997、4824073、4943032和4966646)也有工艺说明。因此，这里仅将一些认为人们不易明白的某些工艺细节加以说明。
参看图2，图中示出按本发明的一个实施例制造的组合式的常闭电动阀50的部分简化剖视图。正如图1所示的FluitorTM阀那样，上述阀50分别由上层板16、中层板14和下层板12(或者说模片)构成。基本上平整的上层板16用于形成密封内腔100的一个壁，在上层板16上位于内腔100之内安装一个电阻加热元件120。内腔100的另一个壁由形成中层板14的一部分的柔性薄膜200构成。密封内腔100充满工作流体130(以波纹线表示)，该流体130一般为介电物质，例如氟塑料，加热时它膨胀，冷却时它收缩。因此，当加热件130接上电源并使工作流体130加热时，流体130便膨胀，使薄膜200向外弯曲或者说向外挠曲。
柔性薄膜200除了构成内腔100的壁之外，还位于阀件300的附近上。薄膜200通过支座220在连接点310上与阀件300机械连接。柔性薄膜200与阀件300的上述连接有利于将薄膜200的移动传递到阀件300上。
由柔性薄膜200的接阀部分220和中间层板14的阀口部分230构成一个中间层或者说阀口400。上述的部分220和230限定阀口400的尺寸和形状，并形成一个围绕阀口400的周边密封区450，如图2A示出的图2中的阀口400、薄膜200和阀件300的放大图所示。阀口400的一些实施例具有在阀件300内形成的阀座区410，在另外的实施例中，阀座区(未示出)则在周边密封区450内形成。在图2和2A所示的实施例中，当阀50未起动时，周边密封区450和阀件300紧密接触，于是，阀口400是关闭的或者说密封的。这种阀50被称为常闭式阀。在另外的实施例中，当阀50未起动时，周边密封区450和阀件300彼此隔开(未示出)，于是阀口敞开，这种类型的阀被称为常开式阀。
在下层板12上设置一个出口510和一个入口520。出口510通过输出通道240与阀口400流体连接，入口520通过输入通道540和250与阀口400流体连接。因此，在阀口400关闭的同时，入口520与出口510离隔。但是，当工作流体130被加热而膨胀时便使柔性薄膜200挠曲或者说移动。这种移动通过支座220推动阀件300，并使阀件300转动或者移动而离开阀座区410，从而打开阀口400，这样，便使出口510通过通道240、250和540与入口520形成流体连通。
所述的阀50的各个部分可看成几个独立的功能块，因此能量转换部分通过加热工作流体130使薄膜200挠曲而将电能转换成机械能，中间阀部分通过一个致动器与上述机械能相配合，引起可打开和/或关闭阀口的移动。最后，流体连通和导向部分与中间阀口相连接，使阀的结构形成流体连通。如图2所示，上述的功能块可以由一个或几个层板12、14和16构成。因此，图2所示实施例具有一个包含两个部分即上层板16和中层板14的能量转换部分。同理，流体连通部分也包含所有三个层板部分。
再看图2，可以看出，柔性薄膜200应当既要足够地薄到能挠曲，又要足够厚到具有足够的强度，以便在阀50的工作过程中通常所受到的力的作用下不会破裂。另外，柔性薄膜200既是密封内腔100的一部分又是通道250的一部分。所以，薄膜200将既与工作流体130接触又与阀50控制的任何流体接触。薄膜200的与受控流体相接触的那些部分通常称之为“湿表面”。在图2的实施例中，薄膜200由中层板14形成，并且，可以看出，中层板14的其他各部分都与下层板12和上层板16相连接。因此，选择制造中层板14的材料要考虑(除了其他因素外)如下要求强度、柔性、与薄膜200的相容性以及中层板14的材料与层板12、16的材料的连接或者说粘接的问题。在本发明的某些实施例中，业已发现选用硅作为层板14的材料是有利的，当然也可以选用其他合适的材料。
阀件300通常与由层板14、16形成的阀的部分分开制造，并且通过与支座210的机械连接安装在邻近阀口400的位置。正如上面对层板14所述，阀件300也具有“湿表面”，并要求具有足够的强度以关闭阀口400。另外，在本发明的一些实施例中，阀件300还提供抵抗柔性薄膜200所作的移动的一部分或全部的回复力。因此，正如下面会看到的那样，阀件300的材料应能产生上述的回复力。虽然可以看到阀件300的形状可以从图2所示的基本上平坦的形状加以改变，但是，业已发现，对于阀件300与层板14的相容性以及硅的微切削加工技术的可行性来说，选用硅来制造阀件300是有利的。
在图2所示的实施例中，下层板12用于构成出口510和入口520或其中的一个以及通道540，因此，正如上面对层板14所述，层板12也有“湿表面”，层板12的材料应当与阀50控制的流体相容。层板12还用作阀50的其他部分的安装结构，并用作将阀50连接到使用该阀的设备中去的安装结构。因此，层板12对于上述的安装功能应具有足够的强度和耐久性。另外，在本发明的一些实施例中，使用一种辅助加力装置(未示出)对阀件300加力。在使用这种辅助加力装置的场合，常用层板12安装这种装置。虽然已发现硅质材料有利地具有层板12所要求的特性，但是也可以用其他合适的材料。例如，在一些实施例中，采用各种陶瓷材料如氧化铝，但在另一些实施例中采用硼硅玻璃或石英材料。
在图2所示实施例中，层板16用来支承和固定加热件120并构成密封内腔100，另外，它还用于构成通道240的一部分，因此也有一些“湿表面”。可以理解，加热件120仅用于加热工作流体130而流体130的冷却在很大程度上是通过与层板16的接触完成的。因此，在本发明的一些实施例中，层板16选用具有良好导热性的材料。但是，在加热件120是电阻加热元件的场合，层板16的材料一般选用介电材料，以防加热件120短路。在一些实施例中，用远距辐射源提供的辐射能加热流体130。在这类实施例中，层板16选用可透射辐射能的材料。因此，层板16可以选用各种材料包括(但不限于)石英、硼硅玻璃、陶瓷、蓝宝石、硅或塑料来制造。于是，可以理解，本发明的实施例包含各种各样的可制造阀件300以及各层板12、14和16的材料，而且对阀件300或各层板的具体材料的选择是一种考虑上述诸多因素的设计选择。还可进一步理解，所有上述的设计选择都包括在本发明的范围之内。
如上所述，薄膜200既要具有强度又要具有柔性。但是，具体的薄膜200的柔性和强度的最佳匹配可按各种具体用途而改变。因此，在本发明的一些实施例中，主要考虑柔性，而在另外的实施例中，强度比柔性更为重要。虽然选用层板14的材料是薄膜200的强度和柔性的一个重要因素，但是，这两种特性的平衡也可通过改变薄膜200的厚度和形状来达到。因此，在层板14选用[100]硅的场合下，薄膜的典型厚度约为50微米。但是，薄膜200也可厚些或薄些，业已发现，厚度范围最好约为10～100微米。另外也发现，改变薄膜200的形状或者说截面形状，也可影响到薄膜200的柔性与强度之间的平衡。因此，虽然在本发明的一些实施例中使用厚度大致均匀的柔性薄膜200，但是在另外的实施例中则使用厚度不均匀的薄膜200，例如，在一些实施例中，薄膜200具有厚度变化的台阶式截面形式。而在另外的实施例中，薄膜200被做成具有从边缘至中心逐渐减小的厚度。因此，可以采用为满足具体用途的要求而设计的任何截面形状，以达到具体应用的阀50的柔性与强度间的正确平衡。
人们熟知制造图2所示的阀50的几种结构的各种方法。但是，这些方法的内容已超出本发明的范围，故这里只说明这类方法的实例。例如，在“Zdeblick”专利中公开的制造方法(该专利已纳入本文作为参考)可用来制造阀50的各种构件。另外，其他的制造方法如DEM(电火花加工)、电化学腐蚀、喷砂、模压、压花、LIGA(大规模集成电路)和金刚石切削法也可以用。应当理解，要得到本发明的利益并不取决于所用的制造方法，因此，上面所提到的或者“Zdeblick”专利所公开的任何一种或全部方法都可用来制造上述的结构件。
再看图2，图中示出内腔100装满了工作流体130，选择工作流体130的一条准则是共膨胀系数。膨胀系数大的工作流体130将会使薄膜200在任何设计的工作温度范围内都具有较大的移动范围。如上所述，工作流体130对于内腔100的材料是化学上惰性的，彼此间化学上惰性的材料意味着相互间基本上不发生化学反应。另外，所选定的流体130的材料应当在任何阀50的设计温度范围内保持液态(虽然在一些实施例中工作流体130含有一部分蒸汽)。业已发现，许多材料都可满足上述要求，因此，工作流体130可以用水、乙醇或其他醇、和氟碳化合物系列中的许多化合物，例如在一些实施例中，采用可在市场购得的商标为Fluorinert的材料。
虽然在图2未示出，内腔100通常具有注入流体的孔，该孔在往内腔100注满流体后用封孔件牢牢密封之。在一些实施例中，内腔100在相当于阀50在工作时受到的最高环境温度下注入流体130并密封之。在另一些实施例中，内腔100在相当于阀50在工作时受到的最高压力下注入流体130并密封之。而在一些实施例中，则是在具体的温度和压力的综合作用下注入流体130并密封之。
在一些实施例中，所制出的阀50用于通常认为是“超净”的工艺过程(例如在半导体工业和制药工业上)中。如上所述，在图2所示的实施例中，阀件300的上层板16、中层板14和下层板12几个部分都具有与阀50控制的流体相接触的“湿表面”。为了保证与上述超净工艺相适应，阀50的具体实施例最好做成带有涂上一种或多种与具体工艺相适应的材料的“湿表面”的形式。为了用于制药工业，“湿表面”上涂上特氟隆材料是合适的。虽然在一些半导体工业的用途中也可用涂上特氟隆的表面，但是阀50也可以制成带有涂上铬、碳化硅、氮化硅、氧化硅或似碳金刚石的“湿表面”以承受不适宜用特氟隆的环境。因此，在结构上彼此相似的一类阀都可制成带有涂上适宜具体用途的不同材料的“湿表面”。另外，在阀50由一个或多个层板或模片制成的情况下，选用的“湿表面”的材料应与任何用于使各层板间互相连接的连接工艺相适应。例如，若选用阳极连接工艺将硅层板14连接到具有涂上铬障层(未示出)的“湿表面”的硼硅层板16上，那么应去除层板16的连接面上的铬，以便得到一种结合力强的有效的连接。但是也可以用其他的连接工艺例如使用低离子含量的环氧衍生物、易熔玻璃等的连接工艺。
电阻加热件120可以用任何与选定的具体连接工艺相适应的通用电阻材料来制造。例如，业已发现，在采用阳极连接工艺将硼硅玻璃上层板或者说模片16连接到硅质中层板14上的场合，最好是用钛层板制成加热件120的第一层，以便使层板16与构成电阻元件的下一层铂层具有粘结性。其他类型的电阻元件也可以用。因此，在一些实施例中，可使用具有正温度系数(PTC)的电阻材料。如所周知，上述PTC材料的电阻值将随工作流体130温度的升高而增大，因此有利于减小功率消耗并限制加热件120超温。上述PTC材料的一个实例是BaTiO2(钛酸钡)。在本发明的一些实施例中，使用多个分别控制的加热件120，例如，业已发现。最好是用第一个加热件产生恒定的基本温度，第二个加热件产生用于使工作流体300膨胀的瞬变温度。在一些用途中，第一加热件和第二加热件都是同一类型的，例如都用PTC元件，而在其他的实施例中，则用加热装置与冷却装置(下面将谈到)相结合的结构。
如上所述，加热件120是能量转换部分的一个部分，它用于(在图2所示实施例中)将电能转换成热能并将该热能转换成机械运动。参看图3，图中示出上述能量转换部分的另一个实施例。为了易于理解，仅示出说明图3实施例所需要的上层板16和中层板14的那些部分。可以看到内腔100具有一个第一部分104和一个邻近柔性薄膜205的第二部分106。如图所示，第一部分104比第二部分106小，并具有一个插入孔150中的插入式加热件140。孔150用密封件160密封，以便保持加热件140定位，并气密地密封内腔100。
虽然图3的实施例示出带有两个部分的内腔100，但是在其他实施例中，内腔100可以只具有一个如图2所示的单一部分。但是，业已发现在使用插入式加热件时，最好用具有两部分的内腔100，其中第一部分104是一个小的加热部分。这样，在部分104内的流体130以很高的速度加热而引起流体130快速膨胀。然后，膨胀中的流体130从加热部分104推过通道108进入部分106，增大了部分106内的流体的体积，从而引起柔性薄膜205挠曲。因此这一重要的液压作用有利于快速控制薄膜205的移动。
加热件140带有两根穿过密封孔150的导线142，在部分104内与几个环圈144端接。可以理解，加热件140可以有很多形状，图中所示的形状仅仅是说明性的。还可以理解，很多种材料都可以用于制造加热件140的零件。例如，两根导线142可以是一种具有低电阻的第一材料，而环圈144则是一种具有高电阻的第二材料，或者也可以是环圈与导线用同一种材料。导线142可以安装在一种支承件(未示出)上，或者如图所示，用密封件160作为支承件。另外，环圈144可以用具有不同热特性或热容量的各种材料制成。另外，还可以用与环国不同的其他形状来提供与部分104内的加热流体130相接触的相等的表面积。因此，在本发明的某些实施例中，用一种插入式加热件140来产生高于所用具体流体130的沸点的温度。这样，流体130的局部蒸发形成气泡。业已发现，在一些用途中，形成上述气泡有利于加强控制具体柔性薄膜205或200(图2)的挠曲。因此可以一起制出相同的几个阀50，然后对每个阀50选用不同的插入式加热件140，这就可提供适用于不同用途的阀。
参看图4。图中示出另一种加热件和内腔的形式。与图2的实施例不同，图4的实施例中的上层板16做成带有几个凸部170，每个凸部170的端部176带有加热件或者增强件174。这样，由加热件174产生的加热效果移近到要接近内腔100中央部分上的柔性薄膜200，从而对流体130更均匀地加热。因此可以将用于加热流体130的能量有效地转换成薄膜200的机械移动。另外，凸部170用于增大层板16与工作流体130的接触表面积，从而可加大通过层板16消耗热量而冷却流体130的作用。在层板具有凸部170的场合，一般选用硅质材料并采用例如硅微切削加工方法制成层板16和其凸部170，但是也可用其他合适的材料和方法制造凸部170，例如，凸部170可以单独制成再安装在内腔100内。加热件或者说增强件174在结构上可与上述的加热件120(图2)相似。另外，加热件174也可以是用熟悉本技术的人们所熟知的扩散法或离子流入法形成的渗硅区。另外，凸部170的长度和形状可根据安置加热件170在最佳位置或改变冷却流体130所需表面积而变化。
图5A是另一种能量转换部分的又一个实施例的部分平面图。加热层180具有3个加热件182。在一些实施例中，加热层180是一种具有沿晶面优先腐蚀的优点的[111]硅质材料。因此，通过从相对两侧腐蚀加热层180去掉区域184中的全部硅留下用于机械连接和电连接的硅连接区186而制成加热件182，并成为图中所示的大致为六角形的加热件。但是，加热件182也可以是其他形状的，而且也可以用其他的方法例如上述的制造阀50的其他部分的方法来制成上述的其他形状的加热件182。
参看图5B。图中示出沿图5A的B-B’线的包含加热层180的另一种形式的内腔和加热件的剖视图。内腔100位于上层板16与中层板14之间并具有加热层180，这样，用加热层180将加热件182固定在内腔100内，以提供很大的几乎是整个内腔100的加热表面积。因此，可快速加热工作流体130，并通过流体130的膨胀使薄膜200挠曲。
可以理解，图2～图5B所示实施例仅仅是本发明范围内的各种类型加热件的示例。因此，如所周知，对上述加热件代之以其他类型或结构的加热件是属于本发明范围内的设计选择改型。例如，在本发明的一些实施例中，用安装在内腔100之外不与流体130直接接触的加热件(未示出)，例如安装在内腔100之上方上层板16的表面110(图2)上的加热件进行加热。另外，虽然图2～5B的说明性的实施例仅仅谈到加热件，但是，也可以说明其他构件。因此，在本一些实施例中，有利地提供了对流体130的有效的加热和有效的冷却。例如，可在内腔100之上方层板16的表面110上安装一台珀尔帖加热泵而构成既有有效加热能力又有有效冷却能力的实施例。这样，便可加强冷却。
阀件300是中间阀部分的一个部分，在图2所示的本发明实施例中，阀件300密封住阀口400。参看图6，该图示出从下层板12透过层板14看阀件300的平面图，图中的C-C’线表示图2视图的位置。由于下阀件300和下层板12的几个部分遮住了中间层板14的几部分和由中间层板14形成的结构，这些被遮住的要谈到的结构用虚线示出。大致为矩形的阀件300置于与柔性薄膜200的一部分相重叠的位置。可以在阀件300上层板14与12之间做出任意的平面支撑304来加强阀件300与层板14之间的平面性。图6中用实线示出可通过入口520看到的柔性薄膜200的一小部分。在下层板12做出出口510，该出口510通过通道240与中间阀口400相连接。阀件300安装在支座210上，所以薄膜200的挠曲将使支座220推动阀件300，并打开阀口400，或者抽拉阀件300关闭阀口400。
在本发明的其他实施例中，用另一种结构的阀件300促使阀50的性能适应具体的用途。图7示出阀件300(图2)的另一个实施例，通过改型的阀件产生关闭阀的附加力。图7示出的阀件340在其相对两侧形成了梁344，每个梁344的自由端346牢牢地安装在阀50的非移动部分上。例如，可安装到层板14上邻近柔性薄膜200或邻近层板12(图2)的一部分的位置上。因此，当阀件340从其静止位置偏转时，便在每个梁344内产生一种恢复力。由于该力的大小随阀件340的偏转而增大，故可通过改变梁344的长度、宽度、位置和形状来控制所需力的大小。
图8A示出阀件300的另一种替代的结构。为了容易看懂，图中仅示出围绕阀口400的区域。在阀件300上用柔性部件420形成阀座区410。对于每种具体的用途可以选用不同的柔性部件420。因此，在一些用途中，柔性部件420选用塑料，在另外的用途中则选用氟塑料，而在其他的用途中，还可用金属材料。部件420可以是带有一个或几个如图所示的凸部425(如上所示)的模压件，或者可在部分220和230的密封表面上做出凸脊(未示出)。在一些实施例中，既带有凸脊又带有凸部425。下面参看图813。在本发明的另一个实施例中有利地使用密封圈430。如图所示，密封圈430被阀件300锁定而形成阀座区410，例如，由带有两部分即一个形成的上部分302和一个大致平坦的下部分304的阀件300按类似于图8A所示的方式形成阀座区410。在另外的实施例中(未示出)，由在部分220和230上形成的槽来锁定密封圈而形成另一种阀座区410。因此，当阀口对于柔性部件420(图8A)或柔性密封圈430(图8B)关闭时，便加强对阀口400的密封。这种加强的密封可有利地用于需要低漏泄率的用途上。业已发现，使用图8B所示的密封圈430或图8A所示的带有凸部425的柔性部件420或任其他同类的合适构件，可使氦漏气率达到1×10-6～＜1×10-9毫升大气压/秒。
参看图9，图中示出本发明的阀件的另一个替代实施例。如图所示，柔性薄膜200具有一个部分地伸入阀口400与球阀件330相接触的薄膜凸部220，球阀件330层叠在弹簧片状的薄膜500上。因此，可以看出，当薄膜200挠曲时，便通过伸出部220推动球阀330，使之与阀座410脱离接触，并可通过阀口400形成流体连通。当球阀件330从阀座410移动而弄弯弹簧片状的薄膜500时，便产生一个关闭阀口的力。这种由薄膜500产生的关闭阀口的力相当于例如由图7的梁344产生的阀件340的关闭力。球阀件330可用坚硬的基本上不可压缩的材料制成，或者，球阀件330也可具有一定程度的柔性。同理，阀座410也可以是具有柔性或不具有柔性的。图9的实施例可以有各种各样的形式(未示出)，这些形式均属于本发明的范围内。因此，阀件330可具有非球形的形状，例如锥形，或其他合适的可用于密封阀口400的形状。另外，当阀件330和阀座410用坚硬而又有柔性材料制成时，也可得到低的漏泄率。
参看图10，图中示出按本发明实施例的阀件和阀座的另一个实施例。使用一种提动式阀件360密封中间阀口400。阀件360具有缺口362，用于固定密封阀口400的密封国364或其他柔性部件。通过使密封圈364与围绕阀口400周边形成的阀座区414相接触而将阀口400密封，如图10所示。提动式阀件360按照类似于图9所示的球形阀件330的方式移动。因此，柔性薄膜200具有与提动阀件360的上部分368相接触的薄膜凸部224。应当理解，图中所示的具体结构仅仅是说明性的，也可以用其他形式的提动式阀件。另外，虽然图中示出密封圈364固定在阀件360内，但是，在一些实施例中，用阀座区414来固定密封圈364。提动式阀件360也可以做成带有回复力装置，例如按装置500(图9)的方式形成的装置。另外，在提动式阀件360和阀座414用坚硬而又有柔性材料而制成的场合，也可达到低的漏泄率。
熟悉阀技术的人们都会理解，除了上述的实例之外，阀座和阀件的许多改型是众所周知的。因此，不可能详述每种结构。另外，应当明白，上述的纳入“Zdeblick”专利以及其他已知的方法作为参考的方法都可用于制造上述的各种形式的阀件和阀座。因此，应当理解，按各种组合所用的各种形式的柔性的和/或非柔性的阀座和阀件均应纳入本发明的范围内。
如上所述，使用可压缩的柔性部件可加强阀口400的密封并降低漏泄率。但是，这种加强密封的能力也可要求施加一个回复力或者说关闭力来压缩柔性部件。在图9的实施例中，用弹簧片式的薄膜500产生上述的力。但是，在其他的实施例中，可用其他的加力机构。在一些实施例中，这种其他的加力机构用于辅助关封中间阀口，而在另外的实施例中，加力机构用于辅助打开中间阀口。
参看图11。图中示出本发明的另一个实施例，其中，使用加力机构510来加大本发明的阀的关闭力。可以看出，图11的实施例基本上就是图2的实施例，但加了一个设置在阀件300与下层板12的一部分之间的加力机构510。这样，当支座210推动阀件300而打开中间阀口400时，加力机构510受压，这种受压状态会产生关闭阀的力。应当明白，虽然图中示出机构510是圈弹簧的形式，但是，其他的形式也是可以的。例如，加力机构510可做成薄片弹簧、扭转棒或其他合适的机构。另外，如图9实施例所述，使用独立的加力机构例如图9的500或图11的510，可以在阀的设计中有较大的灵活性，以满足具体的用途。
除了如上所述通过压缩加力机构510产生关闭阀的力以外，也可施加打开阀的力。当用在通道540的压力此通道240的压力大得多的场合时，由薄膜200本身产生的力不足于打开中间阀口400。因此，在本发明的一些实施例中，将加力机构510设计成当阀口400关闭时它处于拉伸状态。这样，加力机构510便产生一个薄膜200的移动来控制的打开阀口的力。
至此应认识到，已经说明了组合式电动微型阀的各种实施例。还将了解到所述的各种实施例包括了所述微型阀件的各种改型实施例的组合。因此，在还要求能控制腐蚀流体并降低漏泄率的场合。可以采用柔性阀座件、凸脊状的构件和/或加力机构的各种组合，以便得到多种按照本发明的微型阀。另外，应当理解，这种设计具体用途的微型阀的具体实施例的灵活性尤其能够为上述实施例的功能块进行设计。因此，与“Zdeblick”专利所述的现有技术不同，本发明的微型阀涉及例如低漏泄率的实施例，该实施例不要求改变柔性薄膜，因为柔性薄膜不直接用于密封阀口。另一方面，上述的功能块设计可纳入具有插入式加热件140(图3)的能量转换部分。因此，按照本发明的微型阀可大批制造，并可通过改变所用的加热件140的类型来适应具体的用途。这样，可以降低制造成本并保持适应广泛应用的高度灵活性。
虽然上面讨论的本发明的具体实例已示出一种常闭式阀50，但是，熟悉本技术的人们将会明白上述实施例的常开阀结构。例如，图2所示的阀可做成在温度低于阀的工作温度范围时基本上密封内腔100的常开式阀。这样，当阀加热到工作温度时，柔性薄膜200将会挠曲而打开中间阀口400。为了关闭阀，就要冷却工作流体，例如，可用上述提到的珀尔帖热泵来实现这种冷却。
应当明白，按照本发明制造的阀可以是独立的阀，或者是与任何一种现有技术的流量检测装置相加接的阀。另外，还应明白，本发明的微型阀可以打开或关闭到不同的程度。因此，按本发明制成的阀不仅可以控制流体流动或不流动，而且还可控制这种流体在连续的流速范围内的流量。例如，可通过改变由能量转换部分转换为机械能的能量大小来控制流体的流速。这样，阀件的位置便与断电状态下的偏转量成比例地改变。因此，本发明的实施例可以与一种能向阀提供动态反馈的组合的流量或压力检测装置联在一起，从而动态地控制流速或所提供的压力。在用检测装置检测流速的场合，微型阀通常被称为流量控制器。而在用检测装置检测压力的场合，微型阀通常被称为压力控制器。例如，按照本发明，一个流量控制器可包含一个带有一个第一压力检测器的流量检测装置、一个限流器和一个用于测量沿限流器的压力降的第二压力检测器。如所周知，对于一种预定的限流来说，可将压力降精确地标定为一种具体流体的流速。因此，如上所述的流量检测装置可对选定的具体流体提供动态的流速控制。
权利要求
1．一种组合式电动微型阀，含有一个含有流体入口和流体出口的导流构件；一个在上述导流构件内形成的与上述流体入口和上述流体出口形成流体连接的流体连通通道；一个在上述流体连通通道内形成的中间阀口，其中上述的流体入口通过上述的中间阀口与上述的流体出口阀成流体连接；一个活动地安装在上述的流体连通通道内的中间阀口附近的阀件；和一个能量转换装置，该装置具有一个与上述阀件机械连接的柔性薄膜，其中上述的能量转换装置将输入的能量转换成机械能，从而通过上述的柔性薄膜使上述阀件移动，以打开或关闭上述的中间阀口。
2．根据权利要求1的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的能量转换装置含有一个由一个或多个模片形成的构件，该构件具有一个密封的内腔，上述的柔性薄膜就是该内腔的一个壁。
3．根据权利要求2的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的密封内腔装有流体，该流体是一种会随温度升高而膨胀、并随温度降低而收缩从而使上述薄膜移动的材料。
4．根据权利要求2的组合式电动微型阀，其特征在于，含有一个加热和/或冷却的装置，其中，上述的加热和/或冷却的装置与上述的密封内腔是热连接的。
5．根据权利要求4的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的加热和/或冷却的装置安装丰述密封内腔的一个壁上。
6．根据权利要求4的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的加热和/或冷却的装置是一个珀尔帖热泵。
7．根据权利要求2的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的能量转换装置是一种安装在上述密封内腔之内表面上的用电阻材料制成的电阻加热器。
8．根据权利要求7的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的电阻加热器是一个带有固定在安装部分上的加热部分的电阻元件，上述的安装部分与上述的柔性薄膜隔开一预定的距离。
9．根据权利要求2的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的密封内腔含有一个第一部分和一个第二部分，上述的柔性薄膜是上述第二部分的一个壁。
10．根据权利要求9的组合式电动微型阀，其特征在于，在上述密封内腔的上述第一部分内包括一个插入式加热器。
11．根据权利要求8的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的加热器具有多个加热件，每个加热件至少具有两个加热表面。
12．根据权利要求1的组合式电动微型阀，其特征在于，含有一个在上述阀口的周围形成的柔性阀座区。
13．根据权利要求12的组合式电动微型阀，其特征在于，含有一个在上述阀件上形成的并与上述柔性阀座对准的凸脊状的构件，当上述的阀件座合在上述柔性阀座上时，其氦漏泄率等于或小于1×10-6毫升-大气压/秒。
14．根据权利要求1的组合式电动微型阀，其特征在于，含有一个在上述阀件上形成的其位置与围绕上述阀口的周边区对准的柔性阀座。
15．根据权利要求14的组合式电动微型阀，其特征在于，含有一个在上述阀口的上述周边区形成的并与上述柔性阀座对准的凸脊状的构件，当上述的阀件座合到上述柔性阀座上时，其氦漏泄率等于或小于1×10-6毫升-大气压/秒。
16．根据权利要求15的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的柔性阀座含有一个由上述阀件锁定的密封圈。
17．根据权利要求15的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的柔性阀座是一个由上述阀件锁定的模压的柔性阀座，其中，上述模压的柔性阀座具有对准围绕上述阀口的上述周边区的凸出部分。
18．根据权利要求1的组合式电动微型阀，其特征在于，上述导流构件含有一个温区，该湿区是由与超净的和/或腐蚀性的材料的工艺相适应的材料构成的。
19．根据权利要求1的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的柔性薄膜用硅制成。
20．根据权利要求1的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的柔性薄膜含有一个与上述阀件机械连接的支座，该支座在上述柔性薄膜移动时使上述阀件移动。
21．根据权利要求1的组合式电动微型阀，其特征在于，还含有一个与上述阀件相连接的加力机构，该加力机构对上述阀件施加力。
22．根据权利要求21的组合式电动微型阀，其特征在于，对上述阀件放力使上述阀件座合到上述阀座上，从而在上述的组合或电动微型阀断电时关闭上述的中间阀口。
23．根据权利要求21的组合式电动微型阀，其特征在于，对上述的阀件施加的力阻止上述阀件座合到上述阀座上，从而在上述的组合式电动微型阀断电时，保持上述的中间阀口的敞开。
24．根据权利要求1的组合式电动微型阀，其特征在于，上述的阀件大致为球形的。
25．一种组合式的微型阀，含有一个带有一个入口和一个出口的导流构件；一个在上述导流构件内形成并与上述的入口和上述的出口相连接的流体连通通道；一个在上述流体连通通道内形成的中间阀口，其中，上述的入口通过上述的中间阀口与上述的出口相连接，上述的中间阀口还包含一个阀座。一个可移动地配置在上述中间阀口附近以便座合在上述阀座上的阀件；一个具有一个第一壁和至少一部分第二壁的密封内腔，上述的第一壁与上述密封内腔内的加热器相连接，上述的第二壁形成一个与上述阀件机械连接的柔性薄膜；和一种盛储在上述内腔的工作流体，当上述的加热器加热上述工作流体时，该流体膨胀，推动上述的柔性薄膜和上述阀件，以控制上述入口与上述出口之间的流体连通。
26．一种流量控制器，含有一个按照权利要求1的组合式电动微型阀；和一个检测流量率的装置，其中该装置对上述的能量转换装置提供动态反馈，以改变上述阀件在上述流体连通通道内的位置。
27．一种压力控制器，含有一个按照权利要求1的组合式电动微型阀；和一个检测压力的装置，其中上述装置对上述的能量转换装置提供动态反馈，以改变上述阀件在上述流体连通通道内的位置。
全文摘要
制成组合式电动微型阀以控制流体流量和压力。这种阀通过一个具有一个带有柔性壁(200)的密封内腔(100)的能量转换装置(120)将电能转换成机械能。上述密封内腔(100)内装有加热时膨胀、冷却时收缩从而引起柔性壁(200)移动的流体(130)。利用上述壁(200)或者说薄膜(200)的移动来移动阀件(200)并动态控制阀口(400)在预定范围内的开启或关闭。
文档编号B81B3/00GK1238029SQ97199880
公开日1999年12月8日 申请日期1997年9月25日 优先权日1996年9月27日
发明者J·M·哈里斯, B·A·科扎德, 小D·A·霍普金斯, J·S·菲奇 申请人:红木微系统公司