DE4119955A1

DE4119955A1 - Miniatur-betaetigungselement

Info

Publication number: DE4119955A1
Application number: DE4119955A
Authority: DE
Inventors: Peter Gravesen; Jens Anders Branebjerg
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1991-06-18
Filing date: 1991-06-18
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2011-06-19
Also published as: US5452878A; DE4119955C2; WO1992022763A1; AU1985392A; EP0592469B1; EP0592469A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Minitatur-Betätigungselement mit einem Trägerkörper, einer Membran, wobei zwischen Trägerkörper und Membran ein Hohlraum ausgebildet und eine Isolierschicht angeordnet ist, und zwei Elektroden anschlüssen zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes zwischen Membran und Trägerkörper für einen aktivierten Zustand der Membran.

Ein derartiges Miniatur-Betätigungselement ist aus GB 21 55 152 A bekannt. Das Betätigungselement dient hier zum Öffnen und Schließen eines Ventils, vorzugsweise für pneumatische Zwecke. Das Ventil besteht aus drei Siliziumschichten, in die der Hohlraum sowie ein Ventil zugang und ein Ventilausgang eingeätzt sind. Ventilzugang und Ventilausgang münden in den Hohlraum. Im Ruhezustand ist das Ventil geöffnet. Wenn an die beiden Elektrodenan schlüsse eine Gleichspannung angelegt wird, entsteht ein elektrostatisches Feld, das die Membran in Richtung auf den Trägerkörper in einem aktivierten Zustand aus lenkt und das Ventil schließt.

US 45 85 209 beschreibt ebenfalls ein Mikroventil, bei der die Membran eine Durchgangsöffnung freigibt oder verschließt. Zu diesem Zweck ist die Membran in Form einer Feder ausgebildet, die mit einem Ende am Trägerkör per angelenkt ist. Wenn das elektrostatische Feld erzeugt wird, legt sich die Membran auch mit dem anderen Ende an den Trägerkörper an und verschließt damit die Durch gangsöffnung.

MEMS 90 (Honeywell Inc.), Seiten 95 bis 98 "Micromachined Silicon Microvalve" beschreibt ein Mikroventil mit einer elastisch an einem Ende aufgehängten Membran, die die Durchgangsöffnung des Ventils im Ruhezustand freigibt oder unter anlegen eines elektrischen Feldes verschließt.

DE 38 14 150 A1 zeigt eine Ventilanordnung aus mikro strukturierten Komponenten, die auf verschiedene Weisen aktiviert werden kann. Vorgesehen ist ein Trägerkörper mit einem von der Membran überdeckten Hohlraum, in den ein Ventilkanal mündet. Die Membran wird durch eine erste Kraft in Richtung auf den Trägerkörper bewegt und dort von einer zweiten Kraft, die durch ein elektro statisches Feld aufgebracht wird, festgehalten. Die erste Kraft wird beispielsweise durch eine Erwärmung der Membran erzeugt, wobei die inneren Druckspannungen der in Silizium geätzten Membran ausgenutzt werden.

DE 39 19 876 A1 beschreibt ein weiteres Mikroventil, bei dem die Membran und der Trägerkörper einen Hohlraum einschließen und der Verschlußkörper auf der dem Träger körper abgewandten Seite der Membran angeordnet ist.

Nachteilig bei allen bekannten Ventilen und den darin befindlichen Betätigungselementen ist, daß die Schlag weite, also der durch das Betätigungselement zurückleg bare Weg, begrenzt ist, wenn lediglich mit einem elektro statischen Feld gearbeitet werden soll. Andererseits erfordert die Verwendung von zwei verschiedenen Antrieben zum Bewegen und zum Halten der Membran einen erhöhten Aufwand bei der Steuerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektro statisch antreibbares Betätigungselement mit relativ großer Schlaglänge anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Miniatur-Betätigungselement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Hohl raum durch zwei Flächen begrenzt ist, die in einem Be rührungsbereich, in dem die Flächen einander berühren parallel zueinander und zumindest in einem an den Be rührungsbereich anschließenden Anlagebereich, in dem die beiden Flächen aneinanderlegbar sind, knickfrei sind.

Man erreicht dadurch, daß im aktivierten Zustand die Membran und der Trägerkörper praktisch flächig aufeinan der liegen. Die Membran liegt dann in der aktivierten Stellung im Berührungsbereich parallel zum Trägerkörper. Die Schlaglänge entspricht dann der größten Höhe des allein durch die beiden Flächen begrenzten Hohlraumes. Der Inhalt des Hohlraumes, der bei der Bewegung der Membran in die aktivierte Stellung komprimiert wird, übernimmt zusammen mit den inneren Federkräften der Membran die Rückstellung, um die Membran nach dem Ab schalten des elektrostatischen Feldes wieder in die Ruhestellung oder den Ruhezustand zu bewegen. In der Nähe des Berührungsbereichs ist immer ein relativ starkes elektrisches Feld und damit auch relativ große Kräfte vorhanden.

Vorteilhafterweise erstreckt sich die Isolierschicht über die gesamte Membrangrundfläche. Die Isolierschicht dient einerseits dazu, daß kein Kurzschluß zwischen Membran und Trägerkörper auftreten kann, bei dem das elektrostatische Feld zusammenbrechen würde. Die Isolier schicht definiert andererseits auch das Dielektrikum, das für den Verlauf der Feldstärke des elektrostatischen Feldes zwischen Membran und Trägerkörper mitbestimmend ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Hohlraum mit einem Fluid mit vorbestimmter Dielektrizitätskonstante, vorbestimmter, niedriger Leit fähigkeit und geringer Verschmutzung mit Feststoffparti keln gefüllt ist. Man erreicht damit wegen der niedrigen elektrischen Leitfähigkeit geringe elektrische Verluste und wegen der Reinheit ein zufriedenstellendes mecha nisches Verhalten.

Bevorzugterweise ist im Ruhezustand ein erster Bereich vorgesehen, in dem die Membran einen Abstand vom Träger körper aufweist, die der Dicke der Isolierschicht ent spricht, und ein zweiter Bereich, in dem die Membran größere Abstände vom Trägerkörper aufweist, wobei sich im aktivierten Zustand die Größe der Abstände im zweiten Bereich im wesentlichen auf die Größe des Abstandes im ersten Bereich vermindert. Wird im Ruhezustand ein elektrostatisches Feld zwischen der Membran und dem Trägerkörper erzeugt, ist die Feldstärke im ersten Be reich am größten. Hier ist der Abstand zwischen Membran und Trägerkörper am geringsten. Dort, wo der erste Be reich in den zweiten Bereich übergeht, fängt die Membran an, sich auf den Trägerkörper zuzubewegen, bis sie in diesem Übergangsbereich auf dem Trägerkörper aufliegt. Dadurch vergrößert sich der erste Bereich und der zweite Bereich verkleinert sich. Der Übergangsbereich wandert immer mehr in den zweiten Bereich hinein, bis schließlich die gesamte Membran überall dort, wo ein elektrisches Feld vorliegt, praktisch flächig auf den Trägerkörper aufliegt. Kleinere Hohlräume können, beispielsweise durch eine Faltenbildung der Membran, zurückbleiben. Diese verbesserte Wirkung soll durch die folgende Be trachtung erläutert werden:

Mit den Größen

h2:
Schlaglänge = größter Abstand im zweiten Bereich
h1:	Stärke der Isolierschicht = Abstand im ersten Bereich
ε_{r, IS}:	Relative Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht
ε_{r, me}:	Relative Dielektrizitätskonstante des Fluids im Hohlraum
E_max:	Das maximale elektrische Feld über der Isolierschicht
P_max:	Der maximale Druck auf die Membran

gilt für ein einfaches Parallelplatten-Betätigungsgerät:

Für die erfindungsgemäße Ausführungsform gilt jedoch:

Da das Verhältnis zwischen der Stärke der Isolierschicht und der Schlaglänge des Aktuators normalerweise im Be reich 1/10-1/1000 liegt, werden mit dem Betätigungs element wesentlich größere Kräfte erzielt.

Hierbei ist bevorzugt, daß der erste Bereich den Rand der Membran vollständig aufnimmt. Die die Bewegung der Membran verursachenden Kräfte wandern also von außen nach innen. Die Membran wird hierbei nicht schlagartig in ihrer Gesamtheit bewegt, sondern kann sich, den Kräf ten folgend, nach und nach an den Trägerkörper anlegen.

Wenn andererseits der erste Bereich inmitten der Membran angeordnet ist, wandern die Kräfte von innen nach außen. In jedem Fall verläuft die Bewegung der Membran immer von einem Bereich mit kleinem Abstand zu einem Bereich mit größerem Abstand. Die Kräfte bzw. das Maximum der Kraft, folgt der Bewegung.

Vorteilhafterweise ist der größte Abstand im zweiten Bereich um ein vielfaches größer als der Abstand im ersten Bereich. Dies ist dadurch möglich, daß das elek trostatische Feld nur so stark sein muß, daß die dadurch erzeugten Kräfte die Membran im ersten Bereich oder im Übergangsbereich zwischen ersten Bereich und zweiten Bereich bewegen müssen. Dadurch wird der größte Abstand der Membran vom Trägerkörper sukzessive verringert, bis die Feldstärke, die sich im wesentlichen aus dem Quotienten von Spannung und Abstand zwischen Trägerkörper und Membran ergibt, so groß geworden ist, daß die von ihr verursachten Kräfte ausreichen, die Membran auf den Trägerkörper zuzubewegen.

Bevorzugterweise weist der Trägerkörper eine elektrisch leitende Oberflächenschicht auf, die im Hohlraum ange ordnet ist. Der Trägerkörper muß also nicht vollständig elektrisch leitend ausgebildet sein. Andererseits wird durch die Anordnung der Oberflächenschicht im Hohlraum sichergestellt, daß der Abstand zwischen Membran und Trägerkörper im ersten Bereich tatsächlich nur durch die Dicke der Isolierschicht bestimmt wird.

Auch ist bevorzugt, daß die Oberfläche des Trägerkörpers im Hohlraum im wesentlichen eben ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine relativ einfache Herstellung.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorge sehen, daß die Membran im Ruhezustand eben ist und der Trägerkörper eine konkave Wölbung aufweist. Dies hat den Vorteil, daß im Hohlraum kein Druck erforderlich ist, um die Membran in die Ruhestellung zu bringen.

Vorteilhafterweise ist der Hohlraum mit einem Druckspei cherraum verbunden. Das aus dem Hohlraum bei der Bewegung der Membran in die aktivierte Stellung verdrängte Fluid kann dorthin ausweichen. Dies ermöglicht, daß der Hohl raum tatsächlich vollständig verschwindet. Es läßt sich hierbei für die Füllung des Hohlraumes sogar ein nicht kompressibles Fluid verwenden, wenn der Hohlraum eine elastisch ausgebildete Wand aufweist.

Bevorzugt ist aber, daß der Druckspeicherraum ein kostan tes Volumen aufweist und Hohlraum und Druckspeicher mit einem kompressiblen Fluid gefüllt sind. Das kompres sible Fluid kann beispielsweise eine Gasfüllung, insbe sondere eine Luftfüllung, aufweisen. Der Druckspeicher raum kann kleiner oder gleich groß wie der Hohlraum sein. Das kompressible Fluid wirkt dann als Feder, die die Membran wieder in die Ruhestellung zurückführt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist min destens eine weitere Membran vorgesehen, deren Hohlraum den Druckraum für die erste Membran bildet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die beiden Membranen abwechselnd ausgesteuert werden sollen.

Hierbei ist bevorzugt, daß der Druck des Fluids und die Steifigkeit der Membranen so aufeinander abgestimmt sind, daß sich eine Membran bei abgeschaltetem Feld in den Ruhezustand bewegt, wenn sich eine andere Membran in den aktivierten Zustand bewegt. Man erreicht dadurch eine Zwangsumschaltung, d. h. wenn sich die eine Membran in die aktivierte Stellung bewegt, bewegt sich die andere Membran in die Ruhestellung. Es können auch mehr als zwei Membrane vorgesehen sein, wobei alle Hohlräume miteinander in Verbindung stehen. In diesem Fall kann sich lediglich eine Membran oder eine vorbestimmte Anzahl von Membranen gleichzeitig in der aktivierten Stellung befinden.

Bevorzugterweise sind die Membranen benachbart angeord net. Es ergeben sich hier die geringsten Verluste und die kleinsten zeitlichen Verzögerungen beim Wechsel des Fluids von einem Hohlraum zum anderen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Membranen auf der gleichen Seite des Trägerkörpers angeordnet. Alle Stellglieder, die durch das Betätigungselement betätigt werden sollen, können dann auf der gleichen Seite des Trägerkörpers angeordnet sein.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Membranen auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerkörpers angeordnet. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn es sich um mechanisch im Wechselspiel betätigbare Stellglieder handelt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Oberflächenschicht in mindestens zwei durch einen Isola tionsbereich elektrisch getrennte Bereiche unterteilt, die getrennt mit Spannung versorgbar sind. Hierdurch läßt sich das elektrische Feld und damit die Kraft auf die Membrane auf verschiedene Bereiche beschränken. Die Membran wird nur dort mit Kraft beaufschlagt, wo auch ein elektrisches Feld vorliegt. Wenn beispielsweise zwei Bereiche vorliegen, kann die Membran entweder auf der einen oder auf der anderen Seite an den Trägerkörper zur Anlage gebracht werden. Hierdurch erreicht man, daß die dem Trägerkörper gegenüberliegende Oberfläche der Membran in verschiedene Stellungen kippen kann. Wenn die Membran beispielsweise kreisförmig ist, können die beiden Bereiche halbkreisförmig ausgebildet sein. Ein derartiges Betätigungselement ist somit als Kipp-Be tätigungselement ausgebildet. Ein derartiges Betätigungs element hat den Vorteil, daß bei entsprechender Anord nung die Mitte der Membran mit ihrer Oberfläche in die gewünschte Richtung kippen kann, während die Mitte der Membran andererseits nur wenig verschoben wird. Das Volumen des Hohlraumes wird praktisch kaum geändert.

Die Rückstellkraft kann beispielsweise dadurch erzielt werden, daß der Hohlraum mit einer nicht kompressiblen Flüssigkeit gefüllt ist. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, daß zwischen den Bereichen eine Abstützung für die Membran angeordnet ist. Eine derartige Abstützung kann beispielsweise die Form einer kleine Säule aufweisen. Dies hat den Vorteil, daß der Hohlraum nicht mit einer Flüssigkeit gefüllt sein muß, sondern sogar weitgehend evakuiert sein kann, wodurch die Betätigungsgeschwindigkeit wesentlich ver größert wird. Darüber hinaus ist hier die Produktion einfacher, da der Hohlraum nicht mit Druck beaufschlagt werden muß.

Bei einem derartigen Kipp-Betätigungselement ist es auch von Vorteil, daß die Membran im Bereich des Isola tionsbereichs auf ihrer dem Trägerkörper abgewandten Seite einen starren Hebel aufweist. Hierdurch wird die Kippbewegung übersetzt. Die Enden der Hebel legen größere Wege zurück als die Mitte. Wenn der Hebel mit einem Spiegel versehen ist, kann mit einem derartigen Kipp-Be tätigungselement beispielsweise auch eine gezielte Um schaltung von Lichtwegen bewirkt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Membran korrugierte Bereiche auf. Korrugierte Be reiche erlauben eine größere Bewegung der Membran nach Art einer Ziehharmonika. Man erreicht dadurch größere Schlaglängen.

Die korrugierten Bereiche können als konzentrische Ringe oder spiralförmig angeordnet sein. Im Querschnitt stellt sich die Membran dann in Teilbereichen wellenförmig dar, wobei die Fußpunkte der Wellen an den Trägerkörper zur Anlage gebracht werden können. Wenn die korrugierten Bereiche spiralförmig angeordnet sind, hat dies den Vorteil, daß die Bewegung der Membran auf den Trägerkörper zu, die im Randbereich der Membran anfängt, der Spirale in der Korrugierung folgt. Das Fluid kann durch den gebildeten Schneckengang aus dem Hohlraum herausgedrückt werden. Man erreicht hier auch bei geringen Durchmessern eine hohe Schlaglänge.

Die Erfindung betrifft auch ein Mikroventil mit einem Miniatur-Betätigungselement, wobei ein Verschlußkörper auf der dem Trägerkörper abgewandten Seite der Membran angeordnet ist. Der Verschlußkörper beeinflußt hierbei nicht die Öffnungs- und Schließcharakteristik, d. h. die Bewegung der Membran, die ausschließlich weiterhin durch das elektrostatische Feld und den im Hohlraum aufgebauten Druck bestimmt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein Betätigungselement im Ruhezustand,

Fig. 2 ein Betätigungselement im aktivierten Zustand,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Betätigungs elements,

Fig. 4 ein Betätigungselement mit zwei Membranen,

Fig. 5 ein weiteres Betätigungselement mit zwei Membra nen,

Fig. 6 ein Mikroventil als 2-Wege-Ventil,

Fig. 7 ein Mikroventil als 3-Wege-Ventil,

Fig. 8 ein Kipp-Betätigungselement,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines Kipp-Betäti gungselements,

Fig. 10 ein Betätigungselement mit korrugierter Membran,

Fig. 11 ein Ventil mit Hohlraum im Trägerkörper und

Fig. 12 ein Ventil mit erstem Bereich inmitten der Membran.

Ein Betätigungselement 1 weist einen Trägerkörper 13 auf, der mit einem Substrat 10 über eine Isolierschicht 12 verbunden ist. Das Substrat 10 ist elektrisch leitend. In das Substrat 10 ist eine Membran 11 geätzt. Membran 11 und Trägerkörper 13 schließen zusammen einen Hohlraum 15 ein. Der Trägerkörper 13 weist im Hohlraum 15 eine elek trisch leitende Oberflächenschicht 14 auf. Die Oberflä chenschicht 14 ist mit einem Elektrodenanschluß 16 und die Membran 11 ist mit einem Elektrodenanschluß 17 ver bunden. Die beiden Elektrodenanschlüsse 16, 17 sind mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbindbar. Wenn eine elektrische Gleichspannung zwischen den beiden Elektrodenanschlüssen 16, 17 angelegt wird, entsteht ein elektrostatisches Feld zwischen der Membran 11 und dem Trägerkörper 13, genauer gesagt zwischen der Membran 11 und der Oberflächenschicht 14.

Die Membran 11 ist in Fig. 1 im Ruhezustand oder in der Ruhestellung dargestellt. Im Ruhezustand ist ein erster Bereich I vorgesehen, in dem die Membran 11 einen Abstand vom Trägerkörper 13 bzw. von der Oberflächen schicht 14 aufweist, die im wesentlichen durch die Dicke der Isolierschicht 12 bestimmt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Oberflächenschicht 14 auf die Oberfläche des Trägerkörpers 13 aufgebracht und steht über sie hervor. Die Oberflächenschicht 14 kann aber genauso gut in die Oberfläche des Trägerkörpers 13 eingebracht sein und mit ihr abschließen. Im übrigen ist die Oberflächenschicht 14 aus Gründen der Anschauung übertrieben dick dargestellt. In Wirklichkeit besteht bei den geometrischen Abmessungen praktisch kein Unter schied zwischen der Oberfläche des Trägerkörpers 13 und der der Oberflächenschicht 14. Die Oberflächenschicht 14 wird daher bei der weiteren Betrachtung unter geome trischen Aspekten weitgehend außer acht gelassen werden.

Die Isolierschicht 12 hat beispielsweise eine Dicke h1, so daß der Abstand der Membran 11 vom Trägerkörper 13 im ersten Bereich I ebenfalls die Größe h1 hat, wenn man die Dicke der Oberflächenschicht als vernachlässigbar klein betrachtet. Neben dem ersten Bereich I ist ein zweiter Bereich II vorgesehen, in dem die Membran 11 zur Mitte hin größer werdende Abstände vom Trägerkörper 13 aufweist. Der größte Abstand h2 im Hohlraum 15 ist um ein Vielfaches größer als der Abstand h1. Zwischen dem ersten Bereich I und dem zweiten Bereich II befindet sich ein Übergangsbereich III.

Wenn nun an die Elektrodenanschlüsse 16, 17 eine elek trische Gleichspannung angelegt wird, entsteht zwischen der Membran 11 und dem Trägerkörper 13 ein elektrisches Feld. Die Stärke des elektrischen Feldes ist bestimmt durch die Spannung dividiert durch die Entfernung zwi schen Membran 11 und Trägerkörper 13. Daraus ergibt sich, daß die Feldstärke im ersten Bereich I größer ist als die Feldstärke im zweiten Bereich II. In dem Übergangsbereich III zwischen dem ersten Bereich I und dem zweiten Bereich II ist die Feldstärke zwar kleiner als im ersten Bereich I, aber größer als im zweiten Bereich II. Sie ist hierbei so groß, daß die von ihr erzeugte Kraft ausreicht, die Membran 11 auf den Träger körper 13 zuzubewegen. Hierdurch verschiebt sich der Übergangsbereich II immer weiter in den zweiten Be reich II hinein. Der erste Bereich I dehnt sich immer weiter aus. Dies hat zur Folge, daß die Membran 11 vom Rand her an den Trägerkörper 13 zur Anlage gebracht wird und schließlich vollständig am Trägerkörper 13 anliegt. Der Hohlraum 15 ist hierbei praktisch völlig verschwunden. Natürlich können, beispielsweise durch eine kleine Faltenbildung in der Membran 11 oder der Isolierschicht 12, Reste des Hohlraums 15 verbleiben. Diese können auch das im Hohlraum 15 eingeschlossene Medium aufnehmen. Die Größe des verbleibenden Hohlraums 15 im aktivierten Zustand (Fig. 2) ist jedoch vernach lässigbar klein im Verhältnis zur Größe des Hohlraums 15 im Ruhezustand der Membran 11.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Betäti gungselements, bei dem Teile, die denen der Fig. 1 und 2 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Ergänzend zu der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 ist ein Druckraum 18 vorgesehen, der über einen Kanal 19 mit dem Hohlraum 15 verbunden ist.

Der Hohlraum 15, der Kanal 19 und der Druckraum 18 sind mit einem kompressiblen Fluid gefüllt, beispielsweise einem Gas, insbesondere Luft. Wenn sich nun die Membran 11 aus der dargestellten Ruhestellung in die aktivierte Stellung bewegt, in der der Hohlraum 15 fast vollständig verschwunden ist, wird die Luft aus dem Hohlraum 15 über den Kanal 19 in den Druckraum 18 verdrängt. Hierbei steht sie unter einem höheren Druck. Wenn die elektrische Spannung an den Elektrodenanschlüssen 16, 17 abgeschaltet wird und die durch das elektrostatische Feld bewirkte Haltekraft nachläßt, dient der Gasdruck im Druckraum 18 dazu, die Membran 11 wieder in ihre Ruheposition auszu lenken.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Betätigungselements mit zwei Membranen, bei dem Teile, die denen der Fig. 1 bis 3 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Neben der ersten Membran 11 ist eine zweite Membran 21 vorgesehen, die durchaus einstückig mit der ersten Mem bran 11 ausgebildet sein kann. Die Membranen 11, 21 sind über ein Isolierstück 22 mit dem Trägerkörper 13 verbunden, so daß sie mit dem Trägerkörper 13 zusammen zwei getrennte Hohlräume 15, 18 ausbilden. Beide Hohl räume sind jedoch über einen Kanal 19 miteinander verbun den. In jedem Hohlraum 15, 18 ist eine eigene elektrisch leitende Oberflächenschicht 14, 23 angeordnet. Die Ober flächenschicht 23 im Hohlraum 18 weist einen Elektroden anschluß 20 auf. Die beiden Oberflächenschichten 14, 23 sind über das Isolierstück 22 elektrisch voneinander getrennt. Die beiden Membranen 11, 21 lassen sich des wegen auch getrennt aktivieren. Der Elektrodenanschluß 17 ist zwar für beide Membranen 11, 21 der gleiche. Die Membran 11 wird aber aktiviert, wenn der Elektrodenan schluß 16 mit einer Spannung gegenüber dem Elektrodenan schluß 17 beaufschlagt wird. Die Membran 21 wird hingegen aktiviert, wenn der Elektrodenanschluß 20 verwendet wird.

Wenn sich die Membran 11 in den aktivierten Zustand bewegt, also den Hohlraum 15 verschwinden läßt, weicht das darin befindliche Fluid über den Kanal 19 in den Hohlraum 18 der anderen Membran 21 aus, der hier als Druckraum für die erste Membran 11 fungiert. Umgekehrt fungiert der Hohlraum 15 als Druckraum für die zweite Membran 21, wenn diese aus dem dargestellten Ruhezustand in die aktive Stellung bewegt wird. Wenn das Fluid in den beiden Hohlräumen 15, 18 und im Kanal 19 ein nicht kompressibles Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit ist, lassen sich die beiden Membranen 11, 21 nur abwech selnd betätigen, d. h. wenn die eine Membran in der Ruhe stellung ist, ist die andere Membran in der aktivierten Stellung. Wenn das Gas kompressibel ist, können auch beide Membranen 11, 21 in der Ruhestellung sein. Es ist aber bevorzugt, daß der Druck des Fluids in den Hohlräumen 15, 18 und im Kanal 19 und die Steifigkeit oder die Federkraft der Membranen so aufeinander abge stimmt sind, daß sich eine Membran bei abgeschaltetem Feld in den Ruhezustand bewegt, wenn sich die andere Membran in den aktivierten Zustand bewegt.

Im in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind lediglich zwei Membrane 11, 21 vorgesehen. Es können aber auch mehrere Membranen vorhanden sein. Hierbei kann dann der Druck so eingestellt werden, daß sich immer nur eine Membran oder eine vorbestimmte Anzahl von Membranen im aktivierten Zustand befinden kann.

Neben der in Fig. 4 dargestellten Möglichkeit, daß sich die mehreren Membranen auf einer Seite des Trägerkörpers 13 befinden, ist in Fig. 5 eine weitere Ausführungsform dargestellt, in der zwei Membranen auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerkörpers 13 angeordnet sind. Teile, die denen der Fig. 1 bis 4 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Gegensatz zur Fig. 4, wo das Substrat 10 nur auf einer Seite des Trägerkörpers 13 angeordnet ist, ist bei dem dargestellten Ausführungs beispiel vorgesehen, daß neben dem Substrat 10 auf einer Seite des Trägerkörpers 13 ein weiteres Substrat 25 auf der gegenüberliegenden Seite des Trägerkörpers ange ordnet ist. Aus diesem Substrat 25 ist die zweite Mem bran 21 herausgeätzt. Zwischen dem Substrat 25 und dem Trägerkörper 13 ist eine Isolierschicht 24 angeordnet. Die Membran 11 schließt mit dem Trägerkörper 13 nach wie vor den Hohlraum 15 ein. Die Membran 21 schließt mit dem Trägerkörper 13 den Hohlraum 18 ein. Beide Hohl räume sind durch den Kanal 19, der in diesem Fall relativ breit ausgebildet sein kann, verbunden. Die Oberflächen schichten 14, 23 können gemeinsam mit dem Elektrodenan schluß 16 verbunden sein. Die Steuerung der einzelnen Membranen erfolgt dann über den Elektrodenanschluß 17 oder über einen Elektrodenanschluß 26, wobei der Elektro denanschluß 26 für die Aktivierung der Membran 21 zustän dig ist. Beide Membranen 11, 21 können, genau wie in Fig. 4, im Wechselspiel betrieben werden. Wenn eine Membran 11, 21 in den aktivierten Zustand bewegt wird, erhöht sich der Druck im Hohlraum 18, 15 der anderen Membran 21, 11.

Ein Betätigungselement der dargestellten Art kann in vielen Anwendungsbereichen Verwendung finden. Beispiels weise kann die Membran beim Bewegen einen Schalter be tätigen. Fig. 6 zeigt ein anderes Anwendungsbeispiel, in dem das Betätigungselement in einem 2-Wege-Ventil eingesetzt ist. Die Membran 11 trägt hierbei auf der dem Trägerkörper 13 abgewandten Seite ein Verschlußstück 27, das mit einem Ventilsitz 28 in einem Gehäuse 29 zusammenwirkt. Das Gehäuse kann auf die dem Trägerkörper 13 abgewandte Seite des Substrats 10 aufgebracht sein. Das Ventil ist im in Fig. 6 dargestellten Ruhezustand geschlossen, d. h. das Verschlußstück 27 liegt am Ventil sitz 28 an. Wenn die Membran aktiviert wird, wird das Verschlußstück 27 um eine Entfernung zurückgezogen, die der Differenz zwischen dem Abstand h2 und dem Ab stand h1 entspricht. Es ist ersichtlich, daß das Ver schlußstück 27 hier relativ weit vom Ventilsitz 28 ent fernt wird, so daß durch das Ventil keine nennenswerten Strömungsbehinderungen erzeugt werden.

Fig. 7 zeigt ein 3-Wege-Ventil, in dem ein Betätigungs element nach Fig. 4 Verwendung findet. Elemente, die denen der Fig. 1 bis 6 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Mit dem dargestellten Ventil kann ein Zufluß 30 entweder mit einem Abfluß 31 oder mit einem anderen Abfluß 32 verbunden werden. Hierzu werden die beiden Membranen 11, 21 abwechselnd betätigt. Wenn beide Membranen 11, 21 sich in der Ruhestellung befinden, ist das Ventil vollständig geschlossen.

Fig. 8 zeigt ein Kipp-Betätigungselement, das sich von dem Betätigungselement nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die Mitte der Membran 11 nicht zur Anlage an den Trägerkörper 13 gebracht wird, sondern im wesentlichen unverändert in ihrer Höhe belassen wird. Die Oberflächen schicht ist hier in zwei elektrisch voneinander getrennte Bereiche 14′ und 14′′ unterteilt, die jeweils mit einem eigenen Elektrodenanschluß 16, 20 verbunden sind. Auf der dem Trägerkörper 13 abgewandten Seite der Membran 11 ist ein Hebel 33 angeordnet. Die übrigen Teile entspre chen denen der vorhergehenden Figuren. Die Elektrodenan schlüsse 16 und 20 können unabhängig voneinander mit einer Spannung beaufschlagt werden.

Fig. 8a zeigt das Betätigungselement im nicht aktivierten Zustand. Die Membran 11 ist durch den Druck im Hohlraum 15 ausgebogen. Der Hohlraum 15 ist hier bevorzugterweise mit einer nicht komprimierbaren Flüssigkeit gefüllt. In Fig. 8b ist der linke Elektrodenanschluß 20 mit Span nung beaufschlagt. Die linke Seite der Membran 11 wird nach unten an den Trägerkörper 13 herangezogen. Hierbei wird die Mitte oder das Zentrum der Membran 11 gekippt, so daß der rechte Teil des Hebels 33 nach oben bewegt wird. Da der Hohlraum 15 mit der nicht komprimierbaren Flüssigkeit gefüllt ist, kann die Membran 11 nicht voll ständig zur Anlage an den Trägerkörper 13 kommen. Das Volumen des Hohlraumes 15 bleibt im wesentlichen kon stant, so daß die Kippbewegung der Mitte der Membran noch verstärkt wird. Fig. 8c zeigt den entgegengesetzten Fall, wo der Elektrodenanschluß 16 mit Spannung versorgt worden ist. Hierbei ist die rechte Seite der Membran 11 zur Anlage an den Trägerkörper 13 gebracht worden. Das Zentrum der Membran 11 kippt nun in die andere Richtung, so daß das linke Ende des Hebels 33 nach oben bewegt wird.

Mit dem Hebel 33 wird die Kippbewegung verstärkt. Hierbei lassen sich beispielsweise mechanische Stellglieder betätigen. Andererseits kann der Hebel 33 auch mit einer spiegelnden Fläche versehen sein, so daß durch die Kipp bewegung der Strahlengang einer Lichtquelle gezielt verändert werden kann.

Fig. 9 zeigt eine andere Ausführungsform, in der zur Rückstellung der Membran eine Stütze 34 vorgesehen ist. Die Betätigung der Membran erfolgt in gleicher Weise wie in Fig. 8, d. h. dadurch, daß entweder der Elektroden anschluß 16 oder der Elektrodenanschluß 20 mit Spannung beaufschlagt wird. Die Verschiebung und die Kippbewegung des Zentrums der Membran 11 ist bei dem in Fig. 9 darge stellten Ausführungsbeispiel kleiner als bei dem in Fig. 8 dargestellten. Ansonsten ist die Wirkungsweise die gleiche. Allerdings muß der Hohlraum 15 bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht mit einer nicht kompressiblen Flüssigkeit gefüllt sein. Er kann auch mit einem komprimierbaren Fluid gefüllt sein. Dadurch kann die Betätigungsgeschwindigkeit wesent lich vergrößert werden. Weiterhin ist die Produktion eines solchen Betätigungselementes einfacher.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Betäti gungselementes, bei dem in der Membran 11 korrugierte Bereiche 35 vorgesehen sind. In diesen Bereichen läßt sich die Membran 11 weiter dehnen als in den anderen Bereichen. Dies hat den Vorteil, daß sich die Mitte der Membran 11 in der Ruhestellung unter dem Einfluß des Drucks im Hohlraum 15 weiter von dem Trägerkörper 13 entfernen kann. Die korrugierten Bereiche können beispielsweise als konzentrische Ringe ausgebildet sein. In diesem Fall zeigt sich die Membran im Schnitt wellen förmig, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Die korru gierten Bereiche können aber auch spiralförmig ausgebil det sein. Die Bewegung der Membran 11 auf den Trägerkör per 13 zu folgt dann der Spirale in dem korrugierten Bereich. Das Fluid kann durch den gebildeten Schnecken gang ausgedrückt werden.

Die Form der Membran 11 und des Trägerkörpers 13 des Betätigungselementes können sehr stark variieren. Wichtig ist, daß sich bei der Bewegung der Membran auf den Trägerkörper zu große Teile der Membran nach und nach flächig an den Trägerkörper anlegen können. Die Bewegung der Membran erfolgt dabei von den Bereichen mit geringe rem Abstand zu den Bereichen mit größerem Abstand hin. Für die Rückstellkraft müssen Membran und Trägerkörper in den meisten Fällen durch ein verlagerbares oder zumin dest kompressibles Fluid getrennt sein.

Derartige Bedingungen werden auch dann erfüllt, wenn, wie in Fig. 11, die Membran 11 eben ist und der Träger körper 13 eine konkave Wölbung aufweist. Hierbei kann, wie in anderen Fällen auch, die Isolierschicht 12 nicht an der Membran 11, sondern am Trägerkörper 13 befestigt sein. Aus Übersichtsgründen ist in Fig. 11 die Ober flächenschicht 14 weggelassen. Bei einer derartigen Ausführungsform ist ein Druck im Hohlraum 15 als Voraus setzung für die Rückstellung der Membran 11 in die Ruhe stellung nicht in dem Maße notwendig, wie in anderen Ausführungsformen. Im Extremfall kann er auch weggelassen werden. Die Rückstellkraft wird durch die Elastizität der Membran 11 aufgebracht. Fig. 11 zeigt das Betäti gungselement in einem 2-Wege-Ventil. Die Membran 11 liegt hierbei im Ruhezustand flächig auf dem Gehäuse 29 auf und versperrt sowohl den Zufluß 30 als auch den Abfluß 31.

Wie aus Fig. 12 ersichtlich, muß der erste Bereich nicht unbedingt am äußeren Rand der Membran angeordnet sein. Er kann auch inmitten der Membran 11 angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform wird sich, wenn die Oberflä chenschicht 14 mit Spannung beaufschlagt wird, die Mem bran von innen nach außen dem Trägerkörper 13 annähern und an ihm zur Anlage kommen. In Fig. 12 ist dieses Betätigungselement in Verbindung mit einem 2-Wege-Ventil verwendet, wo der Ventilsitz 28 weiter nach außen ver lagert worden ist, als dies beispielsweise beim Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 6 der Fall ist. Hierdurch wird der Ventilsitz vergrößert. Wenn sowohl die Mitte der Membran als auch die (nicht dargestellten) Randbereiche der Membran mit dem Trägerkörper 13 verbunden sind, läßt sich hierdurch erreichen, daß die Membran 11 eine gewünschte Ruhestellung auch dann einnimmt, wenn im Hohlraum 15 keine Rückstellkräfte vorhanden sind. Wenn entlang der Peripherie der Membran 11 korrugierte Be reiche vorgesehen werden, wird die Membran in diesem Bereich flexibler und eine senkrechte Verlagerung des Ventilsitzes 28 wird möglich.

Über die Füllung des Hohlraumes 15 lassen sich die Be triebseigenschaften des Betätigungselementes steuern. Wenn die elektrische Leitfähigkeit dieser Füllung niedrig gehalten wird, halten sich die elektrischen Verluste in Grenzen. Darüber hinaus sollte die Verschmutzung mit Partikeln, also mit festen Körperchen, möglichst gering gehalten werden. Dies stellt sicher, daß das Betätigungselement, wie gewünscht mechanisch einwandfrei arbeiten kann.

Claims

1. Miniatur-Betätigungselement mit einem Trägerkörper, einer Membran, wobei zwischen Trägerkörper und Membran ein Hohlraum ausgebildet und eine Isolierschicht angeordnet ist, und zwei Elektrodenanschlüssen zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes zwischen Membran und Trägerkörper für einen aktivierten Zustand der Membran, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (15, 18) durch zwei Flächen begrenzt ist, die in einem Berührungsbereich, in dem die Flächen einan der berühren, parallel zueinander und zumindest in einem an den Berührungsbereich anschließenden An lagebereich, in dem die beiden Flächen aneinanderleg bar sind, knickfrei sind.

2. Betätigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die Isolierschicht (12, 24) über die gesamte Membrangrundfläche erstreckt.

3. Betätigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (15, 18) mit einem Fluid mit vorbestimmter Dielektrizitätskonstante, vorbestimmter, niedriger Leitfähigkeit und geringer Verschmutzung mit Feststoffpartikeln gefüllt ist.

4. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Ruhezustand ein erster Bereich (I) vorgesehen ist, in dem die Membran (11) einen Abstand (h1) vom Trägerkörper (13) aufweist, die der Dicke der Isolierschicht (12) entspricht, und zweiter Bereich (II), in dem die Membran (11) größere Abstände (h2) vom Trägerkörper (13) aufweist, wobei sich im aktivierten Zustand die Größe der Ab stände im zweiten Bereich (II) im wesentlichen auf die Größe des Abstandes (h1) im ersten Bereich vermin dert.

5. Betätigungselement nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Bereich (I) den Rand der Membran (11) vollständig aufnimmt.

6. Betätigungselement nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Bereich inmitten der Membran angeordnet ist.

7. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Abstand (h2) im zweiten Bereich (II) um ein Vielfaches größer als der Abstand (h1) im ersten Bereich (I) ist.

8. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (13) eine elektrisch leitende Oberflächenschicht (14, 23) aufweist, die im Hohlraum (15, 18) angeordnet ist.

9. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Trägerkörpers (13) im Hohlraum (15, 18) im wesent lichen eben ausgebildet ist.

10. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran im Ruhezu stand eben ist und der Trägerkörper (13) eine konkave Wölbung aufweist.

11. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (15) mit einem Druckspeicherraum (18) verbunden ist.

12. Betätigungselement nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Druckspeicherraum (18) ein konstan tes Volumen aufweist und Hohlraum und Druckspeicher raum mit dem Fluid gefüllt sind, wobei das Fluid kompressibel ist.

13. Betätigungselement nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens eine weitere Membran (21) vorgesehen ist, deren Hohlraum (18) den Druckraum für die erste Membran (11) bildet.

14. Betätigungselement nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß der Druck des Fluids und die Steifig keit der Membran (11, 21) so aufeinander abgestimmt sind, daß sich eine Membran (21) bei abgeschaltetem Feld in den Ruhezustand bewegt, wenn sich eine andere Membran (11) in den aktivierten Zustand bewegt.

15. Betätigungselement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (11, 21) benachbart angeordnet sind.

16. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (11, 21) auf der gleichen Seite des Trägerkörpers (13) angeordnet sind.

17. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (11, 21) auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerkörpers (13) angeordnet sind.

18. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (14) in mindestens zwei durch einen Isolationsbereich elektrisch getrennte Bereiche (14′, 14′′) unterteilt ist, die getrennt mit Spannung versorgbar sind.

19. Betätigungselement nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen den Bereichen (14′, 14′′) eine Abstützung für die Membran (11) angeordnet ist.

20. Betätigungselement nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) im Bereich des Isolationsbereichs auf ihrer dem Trägerkörper abgewandten Seite einen starren Hebel aufweist.

21. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) korru gierte Bereiche aufweist.

22. Betätigungselement nach Anspruch 21, dadurch gekenn zeichnet, daß die korrugierten Bereiche als konzen trische Ringe ausgebildet sind.

23. Betätigungselement nach Anspruch 21, dadurch gekenn zeichnet, daß die korrugierten Bereiche spiralförmig angeordnet sind.

24. Mikroventil mit einem Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Verschlußkörper (27) auf der dem Trägerkörper (13) abgewandten Seite der Membran (11) angeordnet ist.