KR20010043451A - 마이크로밸브 - Google Patents

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KR20010043451A
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크리슈토퍼 히롤트
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인피니언 테크놀로지스 아게
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Abstract

밸브 시트는 상기 유입구(3)와 상기 유출구(4) 사이에 위치하며, 상기 밸브 시트는 바람직하게는 폴리실리콘 층의 부품으로서 형성되며 캐비티(2)상에 설치된 탄성 막에 의하여 가압되는 글랜드(8)를 가진다. 매개물이 글랜드와 직면하는 상기 막의 측면으로 유동할 때마다, 상기 막은 상기 매개물이 상기 밸브를 통하여 유동될 수 있도록 상기 글랜드에 의하여 상승되며 상기 캐비티내로 가압된다. 상기 막은 밸브가 평행하게 개방되는 것을 보장하기 위하여 스탬프형 피팅에 의하여 강화될 수 있다.

Description

마이크로밸브{MICROVALVE}
배기가 감소되도록 내연 기관에서 연료를 연소시키기 위하여, 연료는 제어되는 방식으로, 유도 영역 또는 연소 챔버내로 재생가능하고 확실하게 주사되어야 한다. 연료는 소형화되며, 제어가능하고 견고하며 신속하게 반응하는 밸브를 경유하여 공급되도록 하며, 상기 밸브는 경제적으로 생산될 수 있으며, 임의의 에너지 공급 없이 (통상적으로 폐쇄되며, 누설되지 않는) 밀폐를 형성하도록 폐쇄되며 주사 노즐에 통합되며 낮은 레벨의 전력으로 작동될 수 있다. 현재 주사 밸브는 다수의 개별적인 기계적 부품으로 구성되며 일반적으로 스테인레스 강으로 구성된다. 밸브는 반구체형상으로 라운드형상의 밸브 핀으로 형성되며 중공형 반구체의 형상인 밸브 시트내로 슬라이드된다. 이 밸브는 전자기(코일) 또는 피에조일렉트릭 구동부재(piezoelectric drives)에 의하여 구동된다. 개별적으로 제작된 부품의 정교한 상호작용은 정교함 및 밸브의 누출율을 제어한다. 많은 질량이 이동됨으로써, 이 같은 밸브는 부적절하기만 한 현재의 엔진에서 느리게 작동하며 연료 주사를 위한 필요조건을 만족한다.
마이크로밸브는 미세 기계가공으로 생산될 수 있으며 두개의 막과 반지름방향으로 배열되는 채널을 가진 가스 채널 시스템을 구비한 다층 구조물의 형상이 DE 44 2 941 A1에 설명된다.
본 발명은 미세 기계가공(micromechanically)으로 생산될 수 있는 밸브에 관한 것이다.
도 1은 밸브의 단면도이다.
도 2는 도 1에 표시된 단면도이다.
도 3 및 도 4는 각각 폐쇄 위치 및 개방 위치에 있는 밸브 메카니즘을 도시한 도면이다.
본 발명의 목적은 용이하게 생산될 수 있으며 내연 기관에서의 설치용으로 적절한 마이크로밸브를 상술하기 위한 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징부를 가지는 마이크로밸브에 의하여 달성된다. 개선점은 종속항으로부터 달성된다.
본 발명에 따른 마이크로밸브에서, 폐쇄부를 구비한 밸브 시트는 유입구와 유출구사이에 위치된다. 밸브 시트는 유입 또는 유출구용 결합 스텁(connecting stub)을 가지는 기판을 필수적으로 포함한다. 밸브가 정지 위치에 있을 때, 폐쇄부는 결합 스텁으로 가압된다. 폐쇄부는 마이크로 공학적인 탄성막을 포함하며, 바람직하게는 폴리실리콘 층의 일부분이며, 폐쇄부의 일 측면은 결합 스텁으로 가압되며, 다른 측면에는 막이 가압될 수 있는 캐비티(cavity)가 있다. 가스 또는 액체가 결합 스텁과 직면하는 막의 측면으로 유동되며, 막은 결합 스텁을 상승시키며 캐비티내로 가압됨으로써, 가스 또는 액체가 결합 스텁의 엣지를 지나서 유입구로부터 밸브의 유출구로 유동될 수 있다. 상기 막은 밸브가 균일하게 개방되는 것을 보장하기 위하여 스탬프형상의 부착물에 의하여 강화된다.
후술되는 내용은 도 1내지 도 4를 참고로 하여 밸브의 전형적인 구조물을 보여주는 일 실시예를 기초로한 마이크로밸브의 더욱 상세한 설명을 포함한다.
마이크로밸브는 미세 기계가공 방법을 이용하여 다수의 층으로부터 생산되는 것이 바람직하다. 밸브 시트는 예를 들면 실리콘 바디일 수 있는 기판(1)(도 1 참조)에 위치한다. 기판의 상부면만이 처리될 때 제조 공정이 단순화되므로, 도 1에 도시된 실시예는 구조화된 상부면들이 서로 직면하며 예를 들면 결합 층(11)에 의하여 서로 영구적으로 (예를 들면 웨이퍼 본딩에 의하여) 결합되는 두 개의 기판(1,10)으로 구성된다. 원칙적으로, 마이크로밸브는 선택적으로 오직 하나의 기판의 상부면상의 층 구조물의 형태일 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 유입구(3)는 상부, 즉 제 2 기판(10)에 있을 수 있다. 그러나, 원칙적으로, 또한 유입구는 유출구(4)와 동일한 측면, 즉 제 1 기판(1)의 하부면에 제공될 수 있다. 유입구(3) 및 유출구(4)는 다수의 채널을 포함할 수 있다. 하나의 밸브 폐쇄부는 각각의 케이스에서 각각의 채널과 개별적으로, 또는 채널의 그룹과 캐비티로 관련될 수 있다.
하나의 이같은 폐쇄부는 비록 유출구(3)의 부분일 수 있지만 도시된 실시예에서 유출구(4)와 관련되는 결합 스텁(8)을 포함하며, 또한 개구가 폐쇄되도록 결합 스텁을 가압하는 탄성 막(5)을 포함한다. 상기 막(5)의 대응 측부에, 캐비티는 제 2 기판(10) 또는 대응 층에 형성되며, 캐비티내로 막이 가압될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 단면을 나타내며, 개별적인 밸브의 폐쇄 위치가 은폐 외형으로서 나타낸 상태의 밸브를 도시한다. 제 2 기판(10)은 환형 유입구(3)를 가지며, 4개의 결합 웹(connecting webs)에 의해서만 가로막힌다. 이러한 유입구는 기판(1,10) 사이의 개재 공간 내측으로 개방되며, 이러한 개재 공간은 중심의 결합 스텁(connecting stubs)으로 인도된다. 실시예를 위해 여기에서는 곡선으로 나타내며, 결합 스텁 및 막의 치수에 거의 대응하는 캐비티(2)의 치수는, 실시예와 같이 밀폐 가능하며 본 경우에 7개인 유출구의 배열을 반영시키기 위해, 도 2의 점선에 의해 은폐 외형으로서 나타낸다.
도 3 및 도 4는 폐쇄 메카니즘의 확대 단면도를 도시한다. 도 3은 제 1 기판(1)에 있는 유출구(4)의 결합 스텁(8)을 도시한다. 이러한 도시는 폐쇄된 정상 상태에서의 마이크로밸브를 나타낸다. 본 경우에 실시예를 위해, 커버층(7)(예컨대, 산화물 또는 질화물로 이루어진)과 보조층(9)(예컨대 산화물로 이루어진) 사이에 유지되는 층의 부분은 막(5)이다. 커버층(7)은 막을 위한 컷아웃(cutout)을 구비한다. 캐비티(2)는 보조층(9) 내에 형성된다. 폐쇄 특성을 향상시키기 위해, 결합 스텁(8)에 면하는 스탬프형 부착물(stamp-like attachment)(6)이 막(5) 상에 위치한다. 상기 부착물의 탄성에 의해, 또는 높은 화학적 또는 물리적 저항 능력때문에, 장기간 응력을 받은 후에도 밸브의 신뢰할 수 있는 폐쇄에 특히 적합한 재료를, 생략할 수도 있는 이러한 스탬프형 부착물이 특별히 포함할 수도 있다. 스탬프형 부착물(6)은 특히 적합하게 구성된 커버층(7)의 일부분에 의해 형성될 수도 있다.
도 4는 밸브가 개방되는 경우 도 3과 동일한 상세도를 도시한다. 유입구(3)로부터 유동하며, 화살표로 도시한 가스는 막(5)과 막(5)의 스탬프형 부착물(6)에 대항하여 하부로부터 가압하여, 결합 스텁의 엣지에서 부착물(6)이 상승되고, 가스용 통로가 유출구(4) 내측으로 개방된다. 도 4의 도시에서, 막(5)이 캐비티의 상부벽에 대항하여 가압되어, 폐쇄부가 완전히 개방된다. 폐쇄부는 여려 유출구의 다른 지지 스텁 상에 대응하는 방식으로 작동한다.
도면에 도시된 전형적인 실시예를 위한 바람직한 치수는, 총 직경이 약 15mm, 개별 밸브에 의해 차지된 영역의 직경이 약 10mm, 기판 사이의 유동 채널의 수직 크기가 약 50㎛, 유출구의 직경이 약 50㎛, 커버층(7)의 두께가 약 2 내지 3㎛, 막층(5)의 두께가 약 0.4㎛, 보조층(9)의 두께가 약 0.6㎛, 그리고 기판의 두께가 전형적으로 약 0.5mm이다.
본 발명에 따른 마이크로밸브의 원리는 전형적인 실시예로부터 용이하게 알수 있다. 필수적인 특징은 편평한 엣지를 가지는 개구부를 구비하는 밸브 시트, 캐비티 위에 위치하며 상기 개구부가 폐쇄되도록 상기 개구부의 바람직하게 올려진 엣지에 대항하여 가압하는 탄성 막, 및 상기 밸브 시트에 관하여 이러한 개구부의 상이한 측면과 막의 동일 측면 상으로 안내되는 유입 채널 및 유출 채널이다. 상기 막은 다층 구조에 매설되는 탄성층의 일부분인 것이 바람직하며, 특히 폴리실리콘일 수도 있다. 이러한 층은 매우 얇은 막이며, 폐쇄하고자 하는 개구부의 영역에 두껍게 적층될 수도 있거나, 폐쇄 특성을 향상시키기 위해 다른 층(스탬프형 부착물)으로 보강될 수도 있다.
또한, 이러한 밸브는 능동적으로 작동될 수 있으며, 적절한 구동 회로에 의해 결합 스텁(8)에 막(5)이 올려진다. 예컨대, 정전기 인력(electrostatic attraction)에 의해 상술한 작동을 실시할 수도 있다. 이러한 목적을 위해, 막의 재료는 전기적으로 도전성이 되도록 설계된다. 막 재료로서 폴리실리콘이 이용된다면, 전기적으로 도전성을 가질 정도로 폴리실리콘이 도핑될 수 있다. 예컨대 반도체 재료의 영역을 도핑함으로써 막과 마주하는 캐비티(2)의 벽 상에 전극(12)이 형성된다. 막과 이러한 전극(12)이 전자 회로에 연결되어, 기판의 하나에 그 자체로 공지된 방식으로 일체화될 수 있으며, 정전기력에 의해 캐비티의 상부벽을 향하여 막이 인취될 정도로 전압이 상기 전자 회로에 인가되어 밸브가 개방되도록 한다.
이러한 마이크로밸브는 종래의 마이크로밸브에 비해 다수의 장점을 가진다. 일면 상에 처리되는 기판을 포함하는 실시예로서도, 정확하게 끼워 맞추어질 정도로 함께 결합되는 조립체의 수는 두 개로 감소된다. 이동하는 가능한 종동 밸브 부분(스탬프로 가능한 표면 미세 기계가공 방법을 이용하여 생산된 막), 센서, 밸브의 능동적 작동을 위한 구동 회로 및 제어 회로와 같은 모든 능동적 기능 블록(active functional blocks)을 제 2 기판(10)이 포함하는 것이 바람직하다. 예컨대 연료용 유입구는 이러한 기판에 위치하는 것이 바람직하다. 제 1 기판(1)에는 층 구조가 제공되지 않고, 고체 기판 바디를 처리하는 체적 미세 기계가공 방법을 이용하여 처리되는 것이 바람직하다. 제 1 기판(1)은 밸브 시트, 유동 채널 및 밸브 유출구를 포함한다.
또한, 밸브의 기본 형상은 장방형일 수도 있으며, 이것은 미세 기계가공 방법에 더 적합하다. 다수의 소형 개별 밸브(예컨대, 0.6㎟의 유동 단면에 대해 약 8000개)에 의해 전체 구성 요소의 밸브 기능이 보장되는 것이 바람직하다. 밸브가 다수의 개별적으로 구동 가능한(즉, 능동적으로 전환될 수 있는) 밸브를 가진다면, 개별 밸브의 개방 유동을 제어할 필요없이 넓은 범위에 걸쳐 매우 작은 단계로 유량을 제어할 수 있다. 따라서, 제어되는 개별 밸브는 개방 및 폐쇄의 두 가지 가능한 상태만을 가진다. 기판에 일체화된 센서에 의해 예컨대 유량, 유압 또는 온도가 측정되어 유량을 제어할 수도 있다.
밸브는 정상적으로 폐쇄된다. 조립된 기판 상의 이러한 부품들의 배열에 의해 밸브 시트의 엣지 상의 막 또는 스탬프의 접촉 압력이 조절된다. 개별 밸브에 의해 차지된 영역의 직경이 약 10mm이고, 유입구의 직경이 약 50 내지 100㎛라면, 밸브 시트의 접촉 압력으로 인해 생성된 100nm의 박막의 평행 이동 또는 완전 굽힘(through-bending)은, 3 바(bar) 과압력 이외에 임의의 다른 힘을 적용할 필요없이, 약 0.4㎛의 두께를 가지는 폴리실리콘 막이 밸브를 폐쇄하기에 충분하다.
밸브가 능동적 작동을 하는 동안, 기판에 있는 캐비티의 다른 측 상에 도핑에 의해 형성되는 전극과 막 사이에 전압을 적용함으로써 개별 밸브가 개방된다. 100V 이하의 전압은 이러한 목적에 충분하다. 연관 회로에 의한 임의의 전력 소비없이, 정전기적으로 사실상 밸브가 개방된다. 기하학적 배열로 인해, 통과하여 유동하는 매개체(연료)와 접촉하는 밸브 영역 외부에 구동부재가 위치하여 보호된다. 따라서, 전기적 도전성 매개체의 유량을 계측하기 위해 밸브를 이용할 수 있다.
유량을 제어하려 한다면, 복수의 능동적으로 작동되는 개별 마이크로밸브를 가지는 상술한 실시예의 본질적 배열을 이용한다. 개방 밸브의 수 각각에 의해 유량이 조절 또는 제어된다. 특히, 구동 회로는 이러한 목적을 위해 이용될 수 있으며, 각각의 경우에, 원하는 유량에 따라 밸브의 적절한 수를 개방한다.
밸브의 자동 조절 또는 제어가 필요하다면, 밸브는 하나 이상의, 특히 마이크로 기계적 센서와 일체화될 수 있으며, 센서 신호를 검지하여 평가하는 동시에, 밸브용 구동 회로로서 이용하고자 하는 전자 제어 회로가 밸브에 구비될 수 있어서, 이러한 전자 제어 회로에 의해 밸브는 센서 신호에 따라 구동될 수 있다.
소량이며 작은 치수의 밸브 막으로 인해, 기계적 시스템의 공진 주파수는 매우 높다(전형적으로 약 1MHz). 이로 인해, 밸브가 짧은 반응 시간을 가지며 유동 매개체의 특성에 압도적인 영향하에 있다.
밸브는 주로 소형화되어, 용이하고 경제적으로 대량으로 제조될 수 있다. 특히, 센서 시스템이 밸브체에 일체화되고, 센서를 작동시키고 벨브를 제어하는 전자 회로와 일체화되면서, 본 발명에 따른 밸브에 대한 가능한 응용 분야의 범위가 넓다. 본 발명에 따른 밸브가 실리콘을 이용하는 다른 반도체 구성 요소와 함께 제조될 수 있다는 사실에 의해 이러한 통합이 더 용이해 진다.

Claims (6)

  1. 하나 이상의 유입구(3) 및 하나의 유출구(4)를 가지며, 플랫 엣지를 가진 개구를 구비한 밸브 시트를 가지며, 탄성적으로 이동 또는 변형될 수 있고, 상기 개구의 엣지의 평면에 평행한 캐비티(2)상에 배열된 막(5,6)을 가지며,
    상기 개구가 폐쇄되도록 상기 캐비티로부터 이격되어 직면하는 상기 막의 측면으로 상기 밸브 시트의 개구의 엣지가 가압되며,
    상기 유입구(3) 및 상기 유출구(4)가 상기 캐비티로부터 이격되어 직면하는 상기 막의 측면 및 상기 밸브 시트의 개구의 엣지의 다른 측면상의 상기 밸브 시트에서 개방되며,
    상기 밸브 시트내의 개구가 개방되며 상기 유입구와 상기 유출구 사이를 연결하도록 상기 막이 상기 캐비티내로 가압될 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로밸브.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 막은 폴리실리콘으로 형성된 탄성 막 층(5)의 일 부분인 것을 특징으로 하는 마이크로밸브.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 개구와 상기 유출구(4)와 함께 밸브 시트는 실리콘으로 구성된 제 1 기판(1)내에 형성되어 있으며,
    상기 막(5), 상기 캐비티(2) 및 상기 유입구(3)는 실리콘으로 구성된 제 2 기판(10)내에 형성되어 있으며,
    상기 기판(1, 10)은 서로 영구적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로밸브.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막은 탄성 전도적으로 설계되어 있으며 전기 연결부가 제공되어 있으며,
    전극(12)은 상기 막으로부터 이격되어 직면하는 상기 캐비티(2)의 측면에 형성되어 있으며 전기 접속부가 제공되어 있으며,
    구동 회로가 제공되어, 상기 막이 상기 개구 시트내의 상기 개구로부터 상승되어 상기 유입구와 상기 유출구 사이가 연결되도록 상기 구동 회로에 의해서 전기 전압이 상기 막과 상기 전극(12) 사이에 인가될 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로밸브.
  5. 제 4 항에 청구된 바와 같은 개별적인 마이크로밸브가 다수로 제공된 마이크로 밸브에 있어서,
    상기 구동 회로는 소정의 유량에 따라 적절한 수의 밸브를 개방하기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 마이크로밸브.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    하나 이상의 센서가 일체로 형성되어 있고 전기 제어 회로가 제공되어 있으며, 상기 제어 회로는 상기 밸브용 구동 회로로서 및 동시에 센서 신호 감지를 위해 이용되며, 상기 제어 회로에 의하여 밸브가 상기 센서 신호에 따라 구동되는 것을 특징으로 하는 마이크로밸브.
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