DE4119955C2

DE4119955C2 - Miniatur-Betätigungselement

Info

Publication number: DE4119955C2
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: 2000-05-31
Anticipated expiration: 2011-06-19
Also published as: US5452878A; DE4119955A1; 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 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
ε_r,IS: Relative Dielektrizitätskonstante der Isolier schicht
ε_r,me: Relative Dielektrizitätskonstante des Fluids im Hohlraum
E_max: Das maximale elektrische Feld über der Isolier schicht
P_max: 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

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.