具有改进的空气清除能力的微阀的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有改进的空气清除能力的微阀。一种微阀，包括基板，基板具有限定出致动器空腔的表面。排气沟槽从致动器空腔的具有终端区域的第一空腔部分向致动器空腔的具有可以从微阀中排出气体的结构的第二空腔部分延伸。盖板包括设置有致动器空腔的表面，致动器空腔包括具有终端区域的第一空腔部分和具有可以从微阀中排出气体的结构的第二空腔部分。中间板包括布置在致动器空腔中的可移位构件、可移位构件在闭合位置和打开位置之间移动，在闭合位置，可移位构件防止经由微阀的流体连通，在打开位置，可移位构件不再防止经由微阀的流体连通。
【专利说明】具有改进的空气清除能力的微阀
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及用于控制流体流过流体回路的微阀。具体地，本发明涉及这种微阀的改进结构，包括促进对空气的清除的通气结构，空气可能留存在微阀的一部分中，并因此可能对微阀的操作产生不期望的干扰。
【背景技术】
[0002]总体来说，微机电系统是一种不仅包括电子和机械部件，而且体积较小的系统，通常包括尺寸在约10微米或更小的范围内的特征。术语“微机械加工”通常理解为涉及这种微机电系统装置的三维结构和移动部件的生产。过去，微机电系统使用改进的集成电路(例如，计算机芯片)制造技术(例如化学腐蚀)和材料(例如硅半导体材料)，所述材料被微机械加工以提供这些非常小的电子、机械部件。然而最近，可以使用其他的微机械加工技术和材料。
[0003]如本文所使用的，术语“微机械加工装置”是指一种包括尺寸通常在约10微米或更小范围内的特征的装置，由此，该装置至少部分地由微机械加工制成。另外，如本文所使用的，术语“微阀”是指尺寸通常位于约10微米或更小范围内的阀，由此其也至少部分地通过微机械加工形成。最后，如本文所使用的，术语“微阀装置”是指一种包括微阀，还包括其他部件的微机械加工装置。应当注意，如果微阀装置中包括除微阀之外的部件，那么这些其他部件可以是微机械加工部件或标准尺寸(即，较大的)部件。同样，微机械加工装置可既包括微机械加工部件又包括标准尺寸部件。
[0004]本领域中已知许多微阀结构用于控制流体流过流体回路。一种公知的微阀结构包括可移位构件，其支撑在设置于阀体的封闭内部空腔内，在闭合位置和打开位置之间枢转或其他运动。当布置在闭合位置时，可移位构件基本上阻塞第一流体端口(否则第一流体端口会与第二流体端口流体连通)，从而防止流体在第一和第二流体端口之间流动。当布置在打开状态下，可移位构件不再阻挡第一流体端口与第二流体端口的流体连通，从而允许流体在第一和第二流体端口之间流动。
[0005]在这种常规的微阀结构中，已经发现，在一些情况下，少量空气会留存在微阀中。如果这些空气没有从微阀中清除，可能对微阀的有效操作产生不期望的干扰。为了解决这种情况，已知当微阀初始打开时使微阀在打开和闭合位置之间快速地运转，以从微阀中清除留存在其内的所有空气。然而，微阀的这种初始运转也是效率低的。因此，期望提供一种微阀的改进结构，其促进清除微阀中留存的气体。
【发明内容】
[0006]本发明涉及一种微阀的改进结构，包括促进对空气的清除的结构，空气可能留存在微阀中内，并因此可能对微阀的操作产生不期望的干扰。微阀包括基板，基板具有限定出致动器空腔的表面。排气沟槽从致动器空腔的具有终端区域的第一空腔部分向致动器空腔的具有可以从微阀中排出空气的结构的第二空腔部分延伸。盖板包括设置有致动器空腔的表面，致动器空腔包括具有终端区域的第一空腔部分和具有可从微阀中排出空气的结构的第二空腔部分。中间板包括布置在致动器空腔内的可移位构件，可移位构件在闭合位置和打开位置之间移动，在闭合位置，可移位构件防止经由微阀的流体连通，在打开位置，可移位构件不再防止经由微阀的流体连通。
[0007]当根据附图阅读本发明时，本领域技术人员从下面对优选实施例的详细说明中会更加清楚本发明的各方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为微阀的基本结构的分解透视图，微阀包括盖板、中间板和基板。
[0009]图2为图1所示微阀的基本结构在组装后的透视图。
[0010]图3为现有技术微阀的常规盖板内表面的平面图。
[0011]图4为现有技术微阀的常规中间板的平面图。
[0012]图5为现有技术微阀的常规基板内表面的平面图。
[0013]图6为图3所示现有技术微阀的常规盖板内表面的一部分的透视图。
[0014]图7为图5所示现有技术微阀的常规基板内表面的一部分的透视图。
[0015]图8为根据本发明的改进的微阀的盖板内表面的平面图。
[0016]图9为本发明的微阀的基板内表面的平面图。
[0017]图10为图8所示盖板内表面的一部分的透视图。
[0018]图11为图9所示基板内表面的一部分的透视图。
[0019]图12为图8-11所示中间板和基板在组装后的一部分的平面图，可移位构件布置在第一操作位置。
[0020]图13为图12所示中间板和基板在组装后的一部分的平面图，可移位构件布置在第二操作位置。
【具体实施方式】
[0021]现参照附图，图1和2示出微阀I的基本结构，于所示的程度，其既表示微阀的常规结构又表示根据本发明的微阀的改进结构。所示微阀I包括盖板2、中间板3和基板4。盖板2具有外表面5和内表面6。盖板2还形成有一个或多个开口(在所不实施例中，不出两个这样的开口 2a、2b)，以本领域公知的方式，所述开口允许一条或多条导电线(未示出)穿过。中间板3具有第一表面7和第二表面8。基板4具有内表面9和外表面10。基板4还形成有一个或多个开口(在所示实施例中，示出三个这样的开口 4a、4b和4c)，以本领域公知的方式，所述开口允许流体流进和流出微阀I。
[0022]当微阀I如图2所示组装，盖板2的内表面6接合中间板3的第一表面7，基板4的内表面9接合中间板3的第二表面8。盖板2、中间板3和基板4可以任何期望方式保持为这种取向。例如，盖板2和/或基板4的一部分可以例如通过熔融结合、化学结合或者物理结合(比如，机械紧固件和/或粘合剂)结合到中间板3。盖板2、中间板3和基板4可由任何期望材料或材料组合构成。例如，盖板2、中间板3和基板4可由硅和/或类似材料构成。
[0023]图3和6详细示出现有技术微阀的常规盖板2的内表面6的结构。如图所示，常规盖板2包括设置在其内表面6上的致动器空腔，总体上由标号11表示。所示致动器空腔11包括上部致动器臂空腔部分11a、中央致动器臂空腔部分lib、下部致动器臂空腔部分11c、致动器肋空腔部分lid、致动器脊空腔部分lie和致动器铰链空腔部分Ilf。上部致动器臂空腔部分IIa设置有一对凹槽区域12a，12b。所示致动器空腔11还设置有一个或多个压力平衡凹陷13。
[0024]图4详细示出现有技术微阀的常规中间板3的结构。如图所示，常规中间板3包括总体上由标号30表示的可移位构件，其包括形成有一对开口 31a，31b的密封部分31。密封部分31经由纵长臂部分32连接至铰链部分33，铰链部分33与常规中间板3 —体形成。中间板3还包括致动器，致动器包括多个致动器肋34，致动器肋34经由中央脊35连接到位于密封部分31和铰链部分33中间位置的纵长臂部分32。
[0025]如图4所示，多个致动器肋34的第一部分的第一末端(当观看图4时，上部肋34)在其第一末端柔性地连接至中间板3的第一非移动部分。多个致动器肋34的第一部分的第二末端连接至中央脊35。中间板3的第一非移动部分电连接至设置在中间板3上的第一焊盘(未示出)。类似地，多个致动器肋34的第二部分的第一末端(当观看图4时，下部肋34)在其第一末端柔性地连接至中间板3的第二非移动部分。多个致动器肋34的第二部分的第二末端也连接至中央脊35。中间板3的第二非移动部分电连接至设置在中间板3上的第二焊盘(未示出)。除了经由多个致动器肋34，第二焊盘与第一焊盘电绝缘。
[0026]以本领域公知的方式，电流可从第一焊盘经由多个致动器肋34传输到第二焊盘。这种电流引起致动器肋34的热膨胀，这使中央脊35轴向移动。如上所述，中央脊35连接至纵长臂部分32。因此，中央脊35的轴向移动使可移位构件30的纵长臂部分32 (因此，密封部分31)绕铰链部分33枢转，或相对于中间板3的剩余部分移动(这种移动发生在由中间板3的剩余部分限定的平面内)。因此，所示可移位构件30起到常规微机电系统热致动器的作用。
[0027]图5和7详细示出常规基板4的内表面9的结构。如图所示，常规基板4包括设置在其内表面9上的致动器空腔，其总体上由标号40表示。所示致动器空腔40包括上部致动器臂空腔部分40a、中央致动器臂空腔部分40b、下部致动器臂空腔部分40c、致动器肋空腔部分40d、致动器脊空腔部分40e和铰链空腔部分40f。所示致动器空腔40还设置有一个或多个压力平衡凹陷41。
[0028]图8-13示出了根据本发明的改进微阀的一部分。如上所述，本发明的微阀的基本结构与图1和2所示类似，因此，包括盖板102、中间板103和基板104。盖板102具有外表面105和内表面106。盖板102还形成有一个或多个开口(在所示实施例中，示出两个这种开口 102a、102b)，以本领域公知的方式，所述开口允许一条或多条导电线(未示出)穿过。中间板103具有第一表面107和第二表面108。基板104具有内表面109和外表面110。基板104还形成有一个或多个开口(在所示实施例中，示出三个这样的开口 104a、104b和104c)，以本领域已知的方式，所述开口允许流体流进和流出微阀。
[0029]当微阀组装时，盖板102的内表面106接合中间板103的第一表面107，基板104的内表面109接合中间板103的第二表面108。盖板102、中间板103和基板104可以任何期望方式保持为这种取向。例如，盖板102和/或基板104的一部分可以例如通过熔融结合、化学结合或者物理结合(比如，机械紧固件和/或粘合剂)结合到中间板103。盖板102、中间板103和基板104可由任何期望材料或材料组合构成。例如，盖板102、中间板103和基板104可由硅和/或类似材料构成。
[0030]图8和10详细示出本发明的盖板102的内表面106的结构。如图所示，本发明的盖板102包括设置在其内表面106上的致动器空腔，其总体上由标号111表示。所示致动器空腔111包括上部致动器臂空腔部分111a、中央致动器臂空腔部分111b、下部致动器臂空腔部分111c、致动器肋空腔部分llld、致动器脊空腔部分Ille和铰链空腔部分Illf。上部致动器臂空腔部分11 Ia设置有一对凹槽区域112a、112b。所示致动器空腔111还设置有一个或多个压力平衡凹陷113。
[0031]然而，不同于现有技术盖板2，本发明的盖板102设置有空气清除沟槽114或其他排气结构，其从致动器空腔111的致动器肋空腔部分Illd向致动器空腔111的中央致动器臂空腔部分Illb延伸。在所示实施例中，该空气清除沟槽114从通常被称为致动器肋空腔部分Illd的终端区域(即，致动器肋空腔部分Illd的未直接通气或者与流体端口流体连通的末端，流体端口例如为开口 104a、104b、104c中的一个)向致动器空腔111的中央致动器臂空腔部分Illb延伸。所示空气清除沟槽114的末端终止于致动器空腔111的致动器肋空腔部分Illd和致动器臂空腔部分Illb的相应边缘。然而，如果需要，所示空气清除沟槽114的一个或两个末端可延伸通过这些相应边缘，进入致动器空腔111的致动器肋空腔部分Illd和致动器臂空腔部分111b。如果需要，还可以设置复数个空气清除沟槽114。如将在下文更详细的叙述，空气清除沟槽114设置成促进对空气的清除，所述空气可能留存在微阀的致动器肋空腔部分Illd的终端区域中，并因此可能对微阀的操作产生不期望的干扰。
[0032]本发明的中间板103的结构可以与上面所述中间板3相同。因此，如图10、12和13所示，本发明的中间板103包括总体上由标号130表示的可移位构件，其包括形成有一对开口 131a、131b的密封部分131。密封部分131经由纵长臂部分132连接到铰链部分(未示出)，铰链部分与本发明的中间板103—体形成。可移位构件130还包括多个致动器肋134，致动器肋134经由中央脊(未示出)连接到位于密封部分131和铰链部分中间位置的纵长臂部分132。
[0033]如图12、13所示，多个致动器肋134的第一部分的第一末端(当观看图12、13时，上部肋134)在其第一末端柔性地连接至本发明的中间板103的第一非移动部分。多个致动器肋134的第一部分的第二末端(未示出)连接至中央脊。本发明的中间板103的第一非移动部分电连接至中间板103上的第一焊盘(未示出)。类似地，多个致动器肋134的第二部分的第一末端(未示出)在其第一末端柔性地连接至本发明的中间板103的第二非移动部分。多个致动器肋134的第二部分的第二末端(未示出)也连接至中央脊。本发明的中间板103的第二非移动部分电连接至中间板103上的第二焊盘(未示出)。除了经由多个致动器肋134，第二焊盘与第一焊盘电绝缘。
[0034]以本领域公知的方式，电流可从第一焊盘经由多个致动器肋134传输到第二焊盘。这种电流引起致动器肋134热膨胀，这使中央脊轴向移动。如上所述，中央脊连接至纵长臂部分132。因此，中央脊的轴向移动使可移位构件130的纵长臂部分132 (由此，密封部分131)绕铰链部分枢转，或相对于中间板103的剩余部分移动(这种移动发生在由中间板103的剩余部分限定的平面内)。因此，所示可移位构件130起到常规微机电系统热致动器的作用。
[0035]图9和11详细示出本发明的基板104的内表面109的结构。如图所示，本发明的基板104包括设置在其内表面109上的致动器空腔，其总体上由标号140表示。所示致动器空腔140包括上部致动器臂空腔部分140a、中央致动器臂空腔部分140b、下部致动器臂空腔部分140c、致动器肋空腔部分140d、致动器脊空腔部分140e和铰链空腔部分140f。所示致动器空腔140还设置有一个或多个压力平衡凹陷141。
[0036]然而，不同于现有技术的基板4，本发明的基板104设置有空气清除沟槽或其他排气结构142，其从致动器空腔140的致动器肋空腔部分140d向致动器空腔140的中央致动器臂空腔部分140b延伸。与如上所述的空气清除沟槽114 一样，该空气清除沟槽142从通常被称为致动器肋空腔部分142d的终端区域向致动器空腔140的中央致动器臂空腔部分140b延伸。所示空气清除沟槽142的末端终止于致动器空腔140的致动器肋空腔部分140d和致动器臂空腔部分140b的相应边缘。然而，如果需要，所示空气清除沟槽142的一个或两个末端可延伸通过这些相应边缘，进入致动器空腔140的致动器肋空腔部分140d和致动器臂空腔部分140b。如果需要，还可以设置复数个空气清除沟槽142。如将在下文更详细的叙述，空气清除沟槽142设置成促进对空气的清除，所述空气可能留存在微阀的致动器肋空腔部分140d的终端区域中，并因此可能对微阀的操作产生不期望的干扰。
[0037]设置在盖板102中的致动器空腔114和设置在基板104中的致动器空腔140与中间板103的固定部分协作，以限定出封闭的内部空腔，可移位构件130支撑在封闭的内部空腔内，以在闭合位置(图12所示)和打开位置(图13所示)之间移动。如公知的那样，封闭的内部空腔还含有从经过微阀的流体的正常流动路径中泄漏的流体。这种泄漏在这种一般类型的微阀中很正常，但是可导致空气在封闭的内部空腔的一部分中积累，这些部分并非关于可将空气从微阀中排出的结构邻近地安置。如上所述，在某些情况下，微阀中空气的存在可能对微阀的操作产生不期望的干扰。
[0038]为了解决这个问题，盖板102中的空气清除沟槽114提供了将致动器肋空腔部分Illd终端区域中留存的任何空气排出到致动器空腔111的中央致动器空腔部分Illb的直接排出路径。从那里，这些空气很容易经由开口 104c排出到微阀外。类似地，基板104中的空气清除沟槽142提供了将致动器肋空腔部分142d终端区域中留存的任何空气排出到致动器空腔140的中央致动器空腔部分140b的直接排出路径。从那里，这些空气也很容易经由开口 104c排出到微阀外。尽管所示微阀具有分别位于盖板102和基板104中的空气清除沟槽114、142，但是，可以预想的是，可仅提供空气清除沟槽114，142中的单个。
[0039]图8-13所示本发明的微阀的实施例以常规U型流动构造封装，其中第一和第二开口 104a、104c(其限定出流体流过微阀100的入口和出口)位于微阀的同侧(基板104侧)。然而，本发明可用于微阀的替代实施例中，其中，微阀以常规通过流动构造封装(未示出)。在该替代实施例中，开口(其限定出流体流过微阀的入口和出口)位于微阀的相对两侧(盖板侧和基板侧)。微阀的该替代实施例的结构和操作方式与微阀的第一实施例类似。
[0040]本发明的原理和操作模式已经在其优选实施例中得到解释和说明。然而，必须理解的是，在不脱离本发明的精神和范围情况下，可以除所特定说明和解释之外的方式实施本发明。
【权利要求】
1.一种微阀，包括: 第一板，包括其内设置有致动器空腔的表面，所述致动器空腔包括具有终端区域的第一空腔部分、具有能够从微阀中排出空气的结构的第二空腔部分以及从所述第一空腔部分向所述第二空腔部分延伸的排气结构；以及 第二板，具有抵靠第一板的所述表面的表面，并包括可移位构件，所述可移位构件布置在所述致动器空腔内，在闭合位置和打开位置之间移动，在闭合位置，所述可移位构件防止经由微阀的流体连通，在打开位置，所述可移位构件不再防止经由微阀的流体连通。
2.如权利要求1所述的微阀，其中: 所述致动器空腔包括上部致动器臂空腔部分、中央致动器臂空腔部分、下部致动器臂空腔部分、致动器肋空腔部分、致动器脊空腔部分和铰链空腔部分；并且其中 所述可移位构件包括布置在上部致动器臂空腔部分中的密封部分、布置在中央致动器臂空腔部分中的纵长臂部分、布置在铰链空腔部分中的铰链部分、布置在致动器脊空腔部分中的多个致动器肋以及将多个致动器肋连接到纵长臂部分的中央脊。
3.如权利要求1所述的微阀，其中所述排气结构为设置在所述第一板的所述表面上的沟槽。
4.如权利要求1所述的微阀，还包括: 第三板，包括其内设置有致动器空腔的表面，所述致动器空腔包括具有终端区域的第一空腔部分以及具有能够从微阀中排出空气的结构的第二空腔部分；并且其中 所述可移位构件也布置在所述第三板的致动器空腔内，在闭合位置和打开位置之间移动。
5.如权利要求4所述的微阀，其中所述第三板包括从所述第三板的第一空腔部分向所述第三板的第二空腔部分延伸的排气结构。
6.如权利要求5所述的微阀，其中所述第三板的排气结构为设置在所述第三板的所述表面上的沟槽。
7.一种微阀,包括: 基板，包括其内设置有致动器空腔的表面，所述致动器空腔包括具有终端区域的第一空腔部分、具有能够从微阀中排出空气的结构的第二空腔部分以及从所述第一空腔部分向所述第二空腔部分延伸的排气结构； 盖板，包括其内设置有致动器空腔的表面，所述致动器空腔包括具有终端区域的第一空腔部分和具有能够从微阀中排出空气的结构的第二空腔部分；以及 中间板，具有抵靠所述基板的所述表面的第一表面和抵靠所述盖板的所述表面的第二表面，所述中间板包括布置在所述基板和所述盖板的致动器空腔内的可移位构件，所述可移位构件在闭合位置和打开位置之间移动，在闭合位置，所述可移位构件防止经由微阀的流体连通，在打开位置，所述可移位构件不再防止经由微阀的流体连通。
8.如权利要求1所述的微阀，其中 所述盖板和所述基板的各致动器空腔包括上部致动器臂空腔部分、中央致动器臂空腔部分、下部致动器臂空腔部分、致动器肋空腔部分、致动器脊空腔部分和铰链空腔部分；并且其中 所述可移位构件包括布置在各上部致动器臂空腔部分中的密封部分、布置在各中央致动器臂空腔部分中的纵长臂部分、布置在各铰链空腔部分中的铰链部分、布置在各致动器脊空腔部分中的多个致动器肋以及将所述多个致动器肋连接到所述纵长臂部分的中央脊。
9.如权利要求7所述的微阀，其中所述基板的排气结构为设置在所述基板的所述表面上的沟槽。
10.如权利要求7所述的微阀，其中所述盖板的排气结构为设置在所述盖板的所述表面上的沟槽。
11.如权利要求7所述的微阀，其中所述基板的排气结构为设置在所述基板的所述表面上的沟槽，所述盖板的排气结构为设置在所述盖板的所述表面上的沟槽。
【文档编号】F16K99/00GK104235497SQ201410436462
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2013年6月24日
【发明者】E·N·福勒, P·阿鲁纳萨拉姆, C·杨, M·鲁克维克, J·奥杰达 申请人:浙江盾安禾田金属有限公司