DE4119955C2 - Miniatur-Betätigungselement - Google Patents
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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 Elektro
denanschlüssen zum Erzeugen eines elektrostatischen
Feldes zwischen Membran und Trägerkörper für einen ak
tivierten Zustand der Membran, wobei der Hohlraum durch
zwei Flächen begrenzt ist, die sich in einem ersten Be
reich berühren und parallel zueinander sind und in ei
nem zweiten Bereich ihren größten Abstand voneinander
aufweisen.
Ein derartiges Miniatur-Betätigungselement ist aus
DE 39 26 647 A1 bekannt und als Mikroventil mit einer Hub
höhe von 4 µm ausgebildet. Der Trägerkörper weist eine
Vertiefung auf, in die die Membrane mit daran befestig
tem Verschlußteil des Ventils abgesenkt werden kann,
wenn zwischen Membran und Tragkörper eine Spannung an
gelegt wird.
Ein weiteres Miniatur-Betätigungselement ist aus
GB 2 155 152 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 Ven
tilzugang und ein Ventilausgang eingeäzt sind. Ventil
zugang und Ventilausgang münden in den Hohlraum. Im Ru
hezustand ist das Ventil geöffnet. Wenn an die beiden
Elektrodenanschlüsse 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 4 585 209 beschreibt ebenfalls ein Mikroventil, bei
dem die Membran eine Durchgangsöffnung freigibt oder
verschließt. Zu diesem Zweck ist die Membran in Form
einer Feder ausgebildet, die mit einem Ende am Träger
körper angelenkt ist. Wenn das elektrostatische Feld
erzeugt wird, legt sich die Membran auch mit dem ande
ren Ende an den Trägerkörper an und verschließt damit
die Durchgangsöffnung.
MEMS 90 (Honeywell Inc.), Seiten 95 bis 98 "Micro
machined 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 er
ste Kraft in Richtung auf den Trägerkörper bewegt und
dort von einer zweiten Kraft, die durch ein elektro
statisches Feld aufgebracht wird, festgehalten. Die er
ste 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 Trä
gerkörper abgewandten Seite der Membran angeordnet ist.
Nachteilig bei allen bekannten Ventilen und den darin
befindlichen Betätigungselementen ist, daß die
Schlaglänge, also der durch das Betätigungselement zu
rücklegbare Weg, begrenzt ist, wenn lediglich mit einem
elektrostatischen Feld gearbeitet werden soll. Anderer
seits 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 Miniatur-Betätigungselement mit
relativ großer Schlaglänge anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Miniatur-Betätigungsele
ment der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich ein Über
gangsbereich vorgesehen ist, in dem sich die beiden
Flächen vom ersten Bereich her aneinander anlegen, so
daß sich der erste Bereich vergrößert und der Über
gangsbereich in den zweiten Bereich immer mehr hinein
wandert.
Man erreicht dadurch, daß im aktivierten Zustand die
Membran und der Trägerkörper praktisch flächig aufein
ander liegen. Die Membran liegt dann in der aktivierten
Stellung im Berührungsbereich parallel zum Trägerkör
per. Die Schlaglänge entspricht dann der größten Höhe
des allein durch die beiden Flächen begrenzten Hohlrau
mes. 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
Abschalten des elektrostatischen Feldes wieder in die
Ruhestellung oder den Ruhezustand zu bewegen. In der
Nähe des Berührungsbereichs ist immer ein relativ star
kes 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 Iso
lierschicht definiert andererseits auch das Dielektri
kum, das für den Verlauf der Feldstärke des elektrosta
tischen Feldes zwischen Membran und Trägerkörper mitbe
stimmend ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
daß der Hohlraum mit einem Fluid mit vorbestimmter Die
lektrizitätskonstante, vorbestimmter, niedriger Leit
fähigkeit und geringer Verschmutzung mit Feststoffpar
tikeln gefüllt ist. Man erreicht damit wegen der nied
rigen elektrischen Leitfähigkeit geringe elektrische
Verluste und wegen der Reinheit ein zufriedenstellendes
mechanisches Verhalten.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, daß der größte Abstand
im zweiten Bereich um ein Vielfaches größer ist als der
Abstand der Membran vom Trägerkörper, der der Dicke der
Isolationsschicht entspricht. Auch ist von Vorteil,
wenn sich im aktivierten Zustand die Größe der Abstände
im zweiten Bereich im wesentlichen auf die Größe des
Abstandes im ersten Bereich vermindert. Wird im Ruhezu
stand ein elektrostatisches Feld zwischen der Membran
und dem Trägerkörper erzeugt, ist die Feldstärke im er
sten Bereich am größten. Hier ist der Abstand zwischen
Membran und Trägerkörper am geringsten. Dort, wo der
erste Bereich 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 Be reich
h1: Stärke der Isolierschicht = Abstand im ersten Bereich
εr,IS: Relative Dielektrizitätskonstante der Isolier schicht
εr,me: Relative Dielektrizitätskonstante des Fluids im Hohlraum
Emax: Das maximale elektrische Feld über der Isolier schicht
Pmax: Der maximale Druk auf die Membran
gilt für ein einfaches Parallelplatten-Betätigungs gerät:
h2: Schlaglänge = größter Abstand im zweiten Be reich
h1: Stärke der Isolierschicht = Abstand im ersten Bereich
εr,IS: Relative Dielektrizitätskonstante der Isolier schicht
εr,me: Relative Dielektrizitätskonstante des Fluids im Hohlraum
Emax: Das maximale elektrische Feld über der Isolier schicht
Pmax: Der maximale Druk auf die Membran
gilt für ein einfaches Parallelplatten-Betätigungs gerät:
Für die erfindungsgemäße Ausführungsform gilt jedoch:
Da das Verhältnis zwischen der Stärke der Isolier
schicht und der Schlaglänge des Aktuators normalerweise
im Bereich 1/10-1/1000 liegt, werden mit dem Betäti
gungselement wesentlich größere Kräfte erzielt. Da das
elektrostatische 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, kann der größte Abstand
im zweiten Bereich um ein vielfaches größer sein als
der Abstand im ersten Bereich. Der größte Abstand der
Membran vom Trägerkörper wird dann sukzessive verrin
gert, bis die Feldstärke, die sich im wesentlichen aus
dem Quotienten von Spannung und Abstand zwischen Trä
gerkörper und Membran ergibt, so groß geworden ist, daß
die von ihr verursachten Kräfte ausreichen, die Membran
auf den Trägerkörper zuzubewegen.
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
Kräften folgend, nach und nach an den Trägerkörper an
legen.
Wenn andererseits der erste Bereich inmitten der Mem
bran 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 Maxi
mum der Kraft, folgt der Bewegung.
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 Trägerkör
pers im Hohlraum im wesentlichen eben ausgebildet ist.
Dies ermöglicht eine relativ einfache Herstellung.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsfrom 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 Druck
speicherraum verbunden. Das aus dem Hohlraum bei der
Bewegung der Membran in die aktivierte Stellung ver
drängte Fluid kann dorthin ausweichen. Dies ermöglicht,
daß der Hohlraum tatsächlich vollständig verschwindet.
Es läßt sich hierbei für die Füllung des Hohlraumes so
gar ein nicht kompressibles Fluid verwenden, wenn der
Hohlraum eine elastisch ausgebildete Wand aufweist.
Bevorzugt ist aber, daß der Druckspeicherraum ein kon
stantes Volumen aufweist und Hohlraum und Druckspeicher
mit einem kompressiblen Fluid gefüllt sind. Das kom
pressible Fluid kann beispielsweise eine Gasfüllung,
insbesondere eine Luftfüllung, aufweisen. Der Druck
speicherraum kann kleiner oder gleich groß wie der
Hohlraum sein. Das kompressible Fluid wirkt dann als
Feder, die die Membran wieder in die Ruhestellung zu
rückführt.
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 Membra
nen 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 an
dere 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
an geordnet. 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 je doch 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-
Betätigungselement beispielsweise auch eine gezielte
Umschaltung von Lichtwegen bewirkt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die
Membran gewellte Bereiche auf. Gewellte Bereiche erlau
ben eine größere Bewegung der Membran nach Art einer
Ziehharmonika. Man erreicht dadurch größere Schlaglän
gen.
Die gewellten Bereiche können als konzentrische Ringe
oder spiralförmig angeordnet sein. Im Querschnitt
stellt sich die Membran dann in Teilbereichen wellen
förmig dar, wobei die Fußpunkte der Wellen an den Trä
gerkörper zur Anlage gebracht werden können. Wenn die
gewellten Bereiche spiralförmig angeordnet sind, hat
dies den Vorteil, daß die Bewegung der Membran auf den
Trägerkörper zu, die im Randbereich der Membran an
fängt, der Spirale in der Wellung folgt. Das Fluid kann
durch den gebildeten Schneckengang aus dem Hohlraum
herausgedrückt werden. Man erreicht hier auch bei ge
ringen 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
Membranen,
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-
Betätigungselements,
Fig. 10 ein Betätigungselement mit gewellter Membran,
Fig. 11 ein Ventil mit Hohlraum im Trägerkörper und
Fig. 12 ein Ventil mit erstem Bereich inmitten der
Membran.
Ein Miniatur-Betätigungselement 1 weist einen Träger
körper 13 auf, der mit einem Substrat 10 über eine Iso
lierschicht 12 verbunden ist. Das Substrat 10 ist elek
trisch leitend. In das Substrat 10 ist eine Membran 11
geäzt. Membran 11 und Trägerkörper 13 schließen zusam
men einen Hohlraum 15 ein. Der Trägerkörper 13 weist im
Hohlraum 15 eine elektrisch leitende Oberflächenschicht
14 auf. Die Oberflächenschicht 14 ist mit einem Elek
trodenanschluß 16 und die Membran 11 ist mit einem
Elektrodenanschluß 17 verbunden. Die beiden Elektrode
anschlüsse 16, 17 sind mit einer elektrischen Gleich
spannungsquelle verbindbar. Wenn eine elektrische
Gleichspannung zwischen den beiden Elektrodenanschlüs
sen 16, 17 angelegt wird, entsteht ein elektrostati
sches 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 Ab
stand vom Trägerkörper 13 bzw. von der Oberflächen
schicht 14 aufweist, die im wesentlichen durch die Dic
ke 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 Anschau
ung übertrieben dick dargestellt. In Wirklichkeit be
steht 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 III 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 an
liegt. 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 Minia
tur-Betätigungselements, bei dem Teile, die denen der
Fig. 1 und 2 entsprechen, mit den gleichen Bezugszei
chen 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 vollstän
dig verschwunden ist, wird die Luft aus dem Hohlraum 15
über den Kanal 19 in den Druckraum 18 verdrängt. Hier
bei steht sie unter einem höheren Druck. Wenn die elek
trische 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 Ru
heposition auszulenken.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mi
niatur-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 ver
bunden. In jedem Hohlraum 15, 18 ist eine eigene elek
trisch leitende Oberflächenschicht 14, 23 angeordnet.
Die Oberflächenschicht 23 im Hohlraum 18 weist einen
Elektrodenanschluß 20 auf. Die beiden Oberflächen
schichten 14, 23 sind über das Isolierstück 22 elek
trisch voneinander getrennt. Die beiden Membranen 11,
21 lassen sich deswegen auch getrennt aktivieren. Der
Elektrodenanschluß 17 ist zwar für beide Membranen 11,
21 der gleiche. Die Membran 11 wird aber aktiviert,
wenn der Elektrodenanschluß 16 mit einer Spannung ge
genüber dem Elektrodenanschluß 17 beaufschlagt wird.
Die Membran 21 wird hingegen aktiviert, wenn der Elek
trodenanschluß 20 verwendet wird.
Wenn sich die Membran 11 in den aktivierten Zustand be
wegt, 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 Ruhezu
stand
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 an
geordnet ist. Aus diesem Substrat 25 ist die zweite
Membran 21 herausgeätzt. Zwischen dem Substrat 25 und
dem Trägerkörper 13 ist eine Isolierschicht 24 angeord
net. 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 Hohlräume sind durch den Kanal 19, der in diesem
Fall relativ breit ausgebildet sein kann, verbunden.
Die Oberflächenschichten 14, 23 können gemeinsam mit
dem Elektrodenanschluß 16 verbunden sein. Die Steuerung
der einzelnen Membranen erfolgt dann über den Elektro
denanschluß 17 oder über einen Elektrodenanschluß 26,
wobei der Elektrodenanschluß 26 für die Aktivierung der
Membran 21 zuständig ist. Beide Membranen 11, 21 kön
nen, genau wie in Fig. 4, im Wechselspiel betrieben
werden. Wenn eine Membran 11, 21 in den aktivierten Zu
stand bewegt wird, erhöht sich der Druck im Hohlraum
18, 15 der anderen Membran 21, 11.
Ein Miniatur-Betätigungselement der dargestellten Art
kann in vielen Anwendungsbereichen Verwendung finden.
Beispielsweise kann die Membran beim Bewegen einen
Schalter betätigen. Fig. 6 zeigt ein anderes Anwen
dungsbeispiel, 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 darge
stellten Ruhezustand geschlossen, d. h. das Verschluß
stück 27 liegt am Ventilsitz 28 an. Wenn die Membran
aktiviert wird, wird das Verschlußstück 27 um eine Ent
fernung 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 Kippbewe
gung des Zentrums der Membran 11 ist bei dem in Fig. 9
dargestellten Ausführungsbeispiel kleiner als bei dem
in Fig. 8 dargestellten. Ansonsten ist die Wirkungswei
se 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 wesentlich
vergrößert werden. Weiterhin ist die Produktion eines
solchen Miniatur-Betätigungselementes einfacher.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Minia
tur-Betätigungselementes, bei dem in der Membran 11 ge
wellte Bereiche 35 vorgesehen sind. In diesen Bereichen
läßt sich die Membran 11 weiter dehnen als in den ande
ren 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 gewellten Bereiche können bei
spielsweise als konzentrische Ringe ausgebildet sein.
In diesem Fall zeigt sich die Membran im Schnitt wel
lenförmig, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Die ge
wellten Bereiche können aber auch spiralförmig ausge
bildet sein. Die Bewegung der Membran 11 auf den Trä
gerkörper 13 zu folgt dann der Spirale in dem gewellten
Bereich. Das Fluid kann durch den gebildeten Schnecken
gang ausgedrückt werden.
Die Form der Membran 11 und des Trägerkörpers 13 des
Miniatur-Betätigungselementes können sehr stark variie
ren. 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 gewellte Bereiche
vorgesehen werden, wird die Membran in diesem Bereich
flexibler und eine senkrechte Verlagerung des Ventil
sitzes 28 wird möglich.
Über die Füllung des Hohlraumes 15 lassen sich die Be
triebseigenschaften des Miniatur-Betätigungselementes
steuern. Wenn die elektrische Leitfähigkeit dieser Fül
lung niedrig gehalten wird, halten sich die elektri
schen Verluste in Grenzen. Darüber hinaus sollte die
Verschmutzung mit Partikeln, also mit festen Körper
chen, möglichst gering gehalten werden. Dies stellt si
cher, daß das Betätigungselement, wie gewünscht mecha
nisch einwandfrei arbeiten kann.
Claims (24)
1. Miniatur-Betätigungselement mit einem Trägerkörper,
einer Membran, wobei zwischen Trägerkörper und Mem
bran ein Hohlraum ausgebildet und eine Isolier
schicht angeordnet ist, und zwei Elektrodenan
schlüssen zum Erzeugen eines elektrostatischen Fel
des zwischen Membran und Trägerkörper für einen ak
tivierten Zustand der Membran, wobei der Hohlraum
durch zwei Flächen begrenzt ist, die sich in einem
ersten Bereich berühren und parallel zueinander
sind und in einem zweiten Bereich ihren größten Ab
stand voneinander aufweisen, dadurch gekennzeich
net, daß zwischen dem ersten (I) und dem zweiten
Bereich (II) ein Übergangsbereich (III) vorgesehen
ist, in dem sich die beiden Flächen vom ersten Be
reich (I) her aneinander anlegen, so daß sich der
erste Bereich (I) vergrößert und der Übergangsbe
reich (III) in den zweiten Bereich (II) immer mehr
hineinwandert.
2. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß sich die Isolierschicht
(12, 24) über die gesamte Membrangrundfläche er
streckt.
3. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (15, 18)
mit einem Fluid mit vorbestimmter Dielektrizitäts
konstante, vorbestimmter, niedriger Leitfähigkeit
und geringer Verschmutzung mit Feststoffpartikeln
gefüllt ist.
4. Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprü
che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der größte
Abstand (h2) im zweiten Bereich (II) um ein Vielfa
ches größer ist als der Abstand (h1) der Membran
(11) vom Trägerkörper (13), der der Dicke der Iso
lationsschicht (12) entspricht.
5. Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprü
che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich im
aktivierten Zustand die Größe der Abstände im zwei
ten Bereich (II) im wesentlichen auf die Größe des
Abstandes (h1) im ersten Bereich vermindert.
6. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 5, da
durch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (I) den
Rand der Membran (11) vollständig aufnimmt.
7. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 5, da
durch gekennzeichnet, daß der erste Bereich inmit
ten der Membran angeordnet ist.
8. Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprü
che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä
gerkörper (13) eine elektrisch leitende Oberflä
chenschicht (14, 23) aufweist, die im Hohlraum (15,
18) angeordnet ist.
9. Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprü
che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober
fläche des Trägerkörpers (13) im Hohlraum (15, 18)
eben ausgebildet ist.
10. Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprü
che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem
bran (11) im Ruhezustand eben ist und der Träger
körper (13) eine konkave Wölbung aufweist.
11. Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprü
che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl
raum (15) mit einem Druckspeicherraum (18) verbun
den ist.
12. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 11, da
durch gekennzeichnet, daß der Druckspeicherraum
(18) ein konstantes Volumen aufweist und Hohlraum
und Druckspeicherraum mit dem Fluid gefüllt sind,
wobei das Fluid kompressibel ist.
13. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 12, da
durch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere
Membran (21) vorgesehen ist, deren Hohlraum (18)
den Druckraum für die erste Membran (11) bildet.
14. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 13, da
durch gekennzeichnet, daß der Druck des Fluids und
die Steifigkeit der Membranen (11, 21) so aufeinan
der abgestimmt sind, daß sich eine Membran (21) bei
abgeschaltetem Feld in den Ruhezustand bewegt, wenn
sich die andere Membran (11) in den aktivierten Zu
stand bewegt.
15. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 13 oder
14, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (11,
21) benachbart angeordnet sind.
16. Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprü
che 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem
branen (11, 21) auf der gleichen Seite des Träger
körpers (13) angeordnet sind.
17. Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprü
che 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem
branen (11, 21) auf gegenüberliegenden Seiten des
Trägerkörpers (13) angeordnet sind.
18. Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprü
che 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober
flächenschicht (14) in mindestens zwei durch einen
Isolationsbereich elektrisch getrennte Bereiche
(14', 14") unterteilt ist, die getrennt mit Span
nung versorgbar sind.
19. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 18, da
durch gekennzeichnet, daß zwischen den Bereichen
(14', 14") eine Abstützung für die Membran (11) an
geordnet ist.
20. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 18 oder
19, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) im
Bereich des Isolationsbereichs auf ihrer dem Trä
gerkörper (13) abgewandten Seite einen starren He
bel (33) aufweist.
21. Miniatur-Betätigungselement nach einem der Ansprü
che 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem
bran (11) gewellte Bereiche (35) aufweist.
22. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 21, da
durch gekennzeichnet, daß die gewellten Bereiche
(35) als konzentrische Ringe ausgebildet sind.
23. Miniatur-Betätigungselement nach Anspruch 21, da
durch gekennzeichnet, daß die gewellten Bereiche
(35) 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.
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