专利名称：介质隔离的静电致动阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及阀，尤其是静电致动阀。更特别地，本发明涉及与所控制的介质隔离的静电致动阀。
与本发明相关的专利申请是2002年6月19日提交的美国专利申请10/174851，通过引用将其结合在此。与本发明相关的发明还包括美国专利No.6288472、美国专利No.6179586、美国专利No.6106245、美国专利No.5901939、美国专利No.5836750、美国专利No.5822170以及美国专利No.5323999，通过引用将其全部结合在此。本发明还与具有代理人标识号H0003388-0765(1161.1167101)、给予Bonne等人的“静电致动气阀”，以及几乎同时提交的并具有代理人标识号H0008509-0760(1100.1314101)、给予Cabuz等人的“中间阀调节器”的专利申请相关，通过引用将其全部结合在此。
发明内容
基于硅的静电致动器可使用小功率并且可以是小型的，但是具有多功能性和成本方面的局限性。在中间泵技术下发展的设备(传感器、致动器等等)将低功率和低成本与聚合体技术提供的多功能性相结合。本发明可将低成本塑胶制造结合在几何配置中，该几何配置能够以很低的功率操作用于控制流体流动的静电致动阀。
图1示出了用于控制与在关闭位置的阀结构相隔离的介质或流体的静电阀；图2示出了在完全打开位置的图1的阀结构；图3示出了部分打开的图1的阀结构；图4示出了相对于在关闭位置的阀具有拉力机构的阀结构；图5示出了相对于在打开位置的阀具有拉力机构的阀结构；图6示出了相对于在部分关闭或打开位置的阀具有拉力机构的阀结构；图7a是阀结构中环形可关闭管子的截面图；
图7b示出处于关闭或半关闭状态的图7a中的管子的截面图；图8a是可以在阀结构中使用的椭圆形可关闭管子的截面图；图8b示出了处于关闭状态的图8a中的管子的截面图；图9示出了一个控制器及其与阀结构的连接。
具体实施例方式
在图1所示的阀结构10中，相对于使阀的两个电极11和12保持分离或靠拢的力而施加静电力。该保持电极分离的力可以是弹性的或气动性的或其它类似形态，例如膜片18的弹性力。重力一般不作为因素。通过在电极11和12上施加驱动电压，可在电极之间产生静电力来改变它们相对于彼此的位置从而作用于阀结构10。阀结构可用是微结构。附图没有必要按比例绘制。
阀结构10的顶部件13和底部件14可以是塑料模制的部件。该部件还可以利用各种制造技术由其它材料制成。例如，结构10的部件可以用不同形式的聚合体技术制成。顶部件13可以具有铝(Al)沉积物，其被施加于顶部件的成角度的(例如1至2度)底侧，以形成其上形成有电介质15的电极11，朝向顶部件13的腔16。一个或多个电极的沉积物可以是另一种导电材料。电介质可以是若干合适的材料之一。例子可包括氧化硅、氮化硅或类似物。其它制造电极的技术也可以应用。放大部分17表示在上部件13上合并层11和15的层排列。电极12可以是附加于膜片18的上表面的铝(Al)层。电介质层19形成在电极或层12上。放大部分21表示在电介质18上合并层12和19的层排列。放大部分17和21不必要按比例绘制。在至少部分地由部件13用电极11和电介质15的表面包围的腔16的顶部可以是孔22，以使膜片18可向上移动(例如几十毫米)没有阻力地进入腔16中，这是由于气体例如空气在腔中的压迫所致。
顶部件13和底部件14可由任何适合的半刚性或刚性材料制成，例如塑胶、陶瓷、硅以及类似物。在一个说明性的例子中，所述部件13和14可以通过对高温塑胶成型而构造，例如ULTEMTM(可从General Electric Company，Pittsfield，MA获得)、CELAZOLETM(可从Hoechst-Celanese Corporation，Reading，Summit，NJ获得)、KETRONTM(可从Polymer Corporation，Reading，PA获得)，或某些其它适合的材料。在某些例子中，用于膜片18的材料可以具有弹性、回弹性、柔性或其它弹性体的特性。在其它的例子中，膜片18可以由一般适应的材料制成，其可以被弹性地变形并且当一个或多个变形力撤去以后能够恢复其原始的形状或形式。在一个例子中，膜片18可以由聚合体制成，例如KAPTONTM(可从E.I.du Pont de Nemours & Co.，Wilmington，DE获得)、KALADEXTM(可从ICI Films，Wilmington，DE获得)、MYLARTM(可从E.I.du Pont de Nemours& Co.，Wilmington，DE获得)，或其它任何适合的材料。对端口和/或膜片使用基于聚合体的衬底的优点是作为结果的阀可以更便宜以及更轻，和/或更适于小的手柄，或者甚至可任意使用或者可重复使用。
通过在膜片18上形成导电涂层的图案来提供膜片18的一个或多个电极12。例如，一个或多个电极可以通过印刷、电镀或金属的EB沉积来形成。在某些情况下，可以使用干片光刻胶来形成电极层的图案。相同或类似的技术可以用来在上部件13的内表面上提供电极11。膜片18和/或上部件13的内表面可以如所希望的为了作为电极进行操作而制成导电性的，而不是设置成分离的电极层。电介质例如低温有机体和无机电介质可以被用作致动电极11和12之间的绝缘体。电介质可以在膜片18上的电极12上作为层19并且在上部件13的内表面上的电极11上作为层15而被涂敷。只有一个电极被绝缘电介质涂覆或覆盖。
膜片18的外周被上部件13和下层24的连接区域23所固定。膜片18可以跨越上部件13和下部件14构件的宽度。膜片18可以在膜片的顶侧具有铝沉积，其作为电极12而操作。电介质19可以沉积在电极12上。
周边层或构件24可以为近似方形或环形或者是位于上部件13和下部件14之间的其它形状的界面，其沿着膜片18的周边或圆周的外部边缘而被插入，并且固定在层24和上部件13之间，导致位于膜片18之上的腔16和下部件14的底面和膜片18之间的空穴或腔29。层24可以是下部件14的一部分。在层24中的一侧可以具有孔或端口27，其中可插入弹性的、柔性的、可收缩的、可压缩的和/或可挤压的介质输送机构25的一端，例如管子25。管子25的另一端在相对侧插入层24的另一个孔中，形成端口28。中心电极26位于下部件14的中央，使管子25位于构件或层24之上并从其一侧穿过至另一侧。如果电极11和12互相没有静电吸引力，则膜片18依靠于管子25上，并且挤压、收缩、或压紧管子25，用这种方式以使得不允许诸如流体的介质从端口27和28之间的一个或另一个方向流过或通过管子25，结果形成常闭阀。中央电极26比位于顶部结构13和层24之间的膜片的夹住的边缘略高。由于端口27和端口28之间的阀，这种高度的不同可以在膜片18中引起预感应压力，该压力挤压管子而使之关闭。结构10的整个高度或深度可以是一个或几个毫米。
通过向顶部件13的电极11和膜片18的电极12施加电压，膜片可上升且端口27和端口28之间的松开的管子25的连接将打开，如图2所示，允许介质或流体在端口27和28之间流通。靠着结构13可拉起具有弹性的膜片18的大部分。这种移动被看作是由于施加到电极上的电压的反向极性利用静电吸引或力产生的。一次致动所需的能量可以少于1微焦。通过管子25从一个端口流至另一个端口的流体可以是气体或液体。电压的数量可以小于推动膜片完全关闭管子25所需的电压值，从而仅是部分地挤压管子以部分地关闭或打开管子，允许部分流体以小于如图3所示膜片18完全离开管子25的速率流过。这样，通过阀结构10的流体的流动将根据施加在电极11和12上的电势而不同。具有流体传输机构或管子25的不同开口的阀结构10可以允许在端口27和28之间通过可适当关闭的传输机构25或可适当挤压的管子25调节流体的流动或压力。
放大部分31表明当膜片18的一部分向上紧贴上部件13时层的排列。放大部分31不是必须按比例绘制的。当施加于电极11和12的电压去除时，回复力和/或膜片18的预感应压力可以导致膜片返回到它在管子25上的先前位置，从而完全挤压或压缩管子以阻止通过它的流体的流动，并且由此关闭常闭阀。由于具有相同极性的电极11和12的静电排斥力，如果希望，可以用甚至更大的力在靠着中央电极26的管子25上推下膜片18。
由于重要用途或有目的的设计，结构10的膜片18可以在关闭位置发生很小的泄漏。为了补偿膜片的泄漏，以防止由于某种不希望的需求、故障或其它因素所引起的降低流动率，需要向管子25施加更大的力。为了高压流体能在端口27和28之间流动，膜片18需要附加的闭合力。在电极11和12之间的排斥力可以是交替变化的力。附加的闭合力可以由提供拉力的机构32实现，例如弹簧，其可在结构13和膜片18之间供给扩张的拉力，从而强迫膜片18靠着流体输送机构25以便更有效地控制流体的流动。
拉力机构32可以代替提供收缩拉力，其倾向于在远离输送机构25处拉起膜片18。可应用电极11和12之间的静电排斥力。如所希望的，收缩拉力可提供在管子25上膜片18的较轻的拉力。
拉力提供机构可被附加到或处在结构13和膜18之间或之上，以提供一种或另一种增加的弹力。图4示出了具有拉力提供机构32的关闭的阀结构10。图5和图6分别示出了可结合例如弹簧的拉力机构32的打开和部分打开或部分关闭的阀结构10。
图7a示出了阀结构10中用作流体输送机构25的环形管的横截面。图7b示出了闭合的管子的横截面。当这种管子最大程度关闭或被挤压时，仍然会有一些流体流动或压力存在于被挤压的管子的区域33中。为了说明性的目的，区域33在图7b中以相对的尺寸被夸大了。在某些应用中，剩余的流动或压力通过区域33传递。
图8a展现了阀结构10中用作流体输送机构25的另一种管子配置的剖面图。这种管子25具有两层附加的、密封的或在明显的焊缝35上模制在一起的柔性材料层34。图8b示出了图8a中闭合的管子的横截面。当这种管子最大程度地被关闭或被挤压时，一般没有如图7b所示的管子的情形，即没有供流体的剩余流动或压力传递的打开区域。其它不同种类的管子和流体或压力输送机构25可在阀结构10中实现。
阀结构10具有与控制器40相连接的自己的电极，控制器40用于通过向电极11和12施加电压在该结构中对阀进行控制。利用控制器40可确定、表示和/或提供电压的极性、大小和定时。控制器40通过程序和/或软件实现对结构10的控制。控制器40通过施加到电极11和12的电势影响通过阀结构10的流体流动的速率。控制器40以及不同的到达阀结构的流动速率可被用于不同的应用，例如流动或压力调节或控制等等。提供给电极的信号可以是具有不同大小的电压的模拟信号，或者是具有恒定大小电压以足够完全打开阀(即管子)或者没有大小以完全关闭阀的数字信号。信号的格式可从数字的转换成模拟的和/或从模拟的转换成数字的。控制器40与阀结构10的接口如图3所示。结构10可容易地设计成满足各种应用，例如在用于微型血细胞计数器或其它设备的可任意使用的管头中应用。结构10还可以结合在MEMS设备或类似的设备中。
在本说明书中，部分材料尽管不是必须如说明所述，但可以是假想的或模拟性的。
尽管本发明参照至少一个说明性的实施例进行了描述，在本说明书的基础上，本领域技术人员可以作出多种变形和改进。因此将附加的权利要求解释为鉴于已有的技术尽可以宽地包括所有变形和改进。
权利要求
1.一种静电阀，包括底部结构；位于所述底部结构上的顶部结构；位于所述底部结构和所述顶部结构之间的膜片；位于所述底部结构和所述膜片之间的输送结构；附加到所述膜片上的第一导体；以及附加到所述顶部结构上的第二导体。
2.如权利要求1所述的阀，其中所述膜片具有使所述输送结构从关闭到打开的多个状态。
3.如权利要求2所述的阀，其中所述第一和第二导体上的足够的电势可导致所述膜片处于所述状态之中的一种；以及所述第一和第二导体上没有足够的电势时可导致所述膜片处于另一个状态。
4.如权利要求3所述的阀，其中所述多个状态中的某些可以是调制状态。
5.如权利要求3所述的阀，其中所述底部结构、所述顶部结构、所述膜片和/或所述输送结构以聚合体技术制备。
6.如权利要求5所述的阀，其中所述输送结构是柔性管。
7.如权利要求6所述的阀，其中所述柔性管具有从所述阀的外部可进入的端口。
8.如权利要求7所述的阀，其中所述第一导体是所述膜片上的金属层；以及所述第二导体是所述顶部结构的内表面上的金属层。
9.如权利要求8所述的阀，其中电介质涂层在所述第一和第二导体中的至少一个上。
10.如权利要求9所述的阀，其中所述底部结构和所述顶部结构都是塑胶部件。
11.如权利要求10所述的阀，其中控制器与所述第一和第二导体相连接。
12.如权利要求3所述的阀，进一步包括附加到所述膜片上的拉力机构。
13.一种阀结构，包括基底；位于所述基底上的周边层；位于所述周边层之上的膜片；位于所述膜片的周边上的腔结构；附加到所述腔结构上的第一电极；附加到所述膜片上的第二电极；以及位于所述基底和所述膜片之间的管子。
14.如权利要求13所述的结构，其中所述膜片具有第一位置和第二位置；所述膜片在所述第一位置关闭所述管子；以及所述膜片在所述第二位置至少部分地打开所述管子。
15.如权利要求14所述的结构，其中在所述第一和第二电极上施加电压可使得所述膜片移动到所述第二位置；以及从所述第一和第二电极上去除所述电压可使得所述膜片移动到所述第一位置。
16.如权利要求15所述的结构，进一步包括位于所述基底上贴近所述管子的障碍物；并且其中当所述周边层和所述腔结构之间的所述膜片的夹住的边缘覆盖所述障碍物距所述基底的距离时，由于预感应的压力，位于所述第一位置的膜片利用将所述管子推向所述障碍物的力关闭所述管子。
17.如权利要求16所述的结构，进一步包括与所述膜片相连接的拉力机构。
18.如权利要求16所述的结构，其中所述腔结构具有口。
19.如权利要求18所述的结构，其中所述管子将所述周边层外边缘处的第一端口与所述周边层外边缘处的第二端口相连接。
20.如权利要求19所述的结构，其中所述第一电极是在所述腔结构的内表面上的第一导电涂层；以及所述第二电极是在所述膜片上的第二导电涂层。
21.如权利要求20所述的结构，进一步包括形成在所述第一和第二导电涂层的至少一个上的电介质层。
22.如权利要求21所述的结构，其中所述基底、所述腔结构、所述周边结构和/或所述膜片以聚合体技术制备。
23.如权利要求15所述的结构，进一步包括与所述电极相连接的控制器。
24.一种流体控制设备，包括具有基底的第一部件，具有第一端口和第二端口的周边壁，以及位于所述基底上的支撑结构；至少部分位于所述支撑结构上的管子，并且具有与所述第一端口相连接的第一端和与所述第二端口相连接的第二端；位于所述周边壁上且覆盖所述周边壁内的区域的膜片；位于临近所述周边壁的膜片上且在所述周边壁内的区域上具有空穴的第二部件；附加到所述膜片上的第一电极；以及附加到所述空穴的内表面的第二电极。
25.如权利要求24所述的设备，其中至少部分地压缩所述管子的所述膜片是所述膜片的第一位置；以及不压缩所述管子的所述膜片是所述膜片的第二位置。
26.如权利要求25所述的设备，其中将电势施加于所述第一和第二电极可导致所述膜片位于第二位置；以及部分地或者不将电势施加于所述第一和第二电极可导致所述膜片位于第一位置。
27.如权利要求26所述的设备，进一步包括与所述第一和第二电极相连的控制器。
28.如权利要求26所述的设备，其中所述第一部件、所述第二部件和所述膜片以聚合体技术制备。
29.如权利要求28所述的设备，其中所述第一和第二部件为塑胶部件。
30.如权利要求26所述的设备，其中所述第一和第二电极中的至少一个被电介质材料涂覆。
31.一种静电致动阀，包括在周边具有脊部的底部件；位于所述底部件上的支柱；位于所述支柱上的可挤压的管子，具有用作外部进入的在所述脊部处的第一端和用于外部进入的在所述脊部处的第二端；在所述底部件之上的膜片，在所述脊部处具有边缘；夹住所述膜片边缘的具有脊部的顶部件；附加到所述膜片的第一电极；以及附加到所述顶部件的底侧的第二电极。
32.如权利要求31所述的阀，其中所述支柱超过所述膜片的边缘；以及通常所述膜片推动所述管子从而关闭所述第一端和所述第二端之间的通道。
33.如权利要求32所述的阀，其中将电压施加于所述第一电极和所述第二电极，提升所述膜片离开所述管子从而至少部分地打开所述第一端和所述第二端之间的通道。
34.如权利要求33所述的阀，其中电介质材料沉积在所述第一和第二电极中的至少一个上。
35.如权利要求34所述的阀，其中所述顶部件和所述底部件是塑胶模制的部件；以及所述管子包括塑胶制品。
全文摘要
一种阀结构，具有顶部件、柔性的介质输送机构比如管子、膜片和具有对管子的支撑的底部件。膜片的顶表面和顶部件的底表面有附加的电极。当没有在电极上施加电势时，膜片停留在原处且关闭柔性管中的通道，以有效地防止流体流动。当在电极上施加电势时，膜片上升离开管子从而打开或部分打开管子中的通道，以使介质流动或传输压力。部分的打开是出于调节的目的。拉力机构附加到膜片上。控制器向电极施加电势用于至少部分地打开或关闭阀。
文档编号H02N1/00GK1807943SQ20051011915
公开日2006年7月26日 申请日期2005年12月21日 优先权日2004年12月21日
发明者E·I·卡布兹, 王自佑, C·卡布兹 申请人:霍尼韦尔国际公司