介質隔離的靜電致動閥的制作方法

專利名稱：介質隔離的靜電致動閥的制作方法
技術領域：
本發明涉及閥，尤其是靜電致動閥。更特別地，本發明涉及與所控制的介質隔離的靜電致動閥。
與本發明相關的專利申請是2002年6月19日提交的美國專利申請10/174851，通過引用將其結合在此。與本發明相關的發明還包括美國專利No.6288472、美國專利No.6179586、美國專利No.6106245、美國專利No.5901939、美國專利No.5836750、美國專利No.5822170以及美國專利No.5323999，通過引用將其全部結合在此。本發明還與具有代理人標識號H0003388-0765(1161.1167101)、給予Bonne等人的“靜電致動氣閥”，以及幾乎同時提交的并具有代理人標識號H0008509-0760(1100.1314101)、給予Cabuz等人的“中間閥調節器”的專利申請相關，通過引用將其全部結合在此。

發明內容
基于硅的靜電致動器可使用小功率并且可以是小型的，但是具有多功能性和成本方面的局限性。在中間泵技術下發展的設備(傳感器、致動器等等)將低功率和低成本與聚合體技術提供的多功能性相結合。本發明可將低成本塑膠制造結合在幾何配置中，該幾何配置能夠以很低的功率操作用于控制流體流動的靜電致動閥。


圖1示出了用于控制與在關閉位置的閥結構相隔離的介質或流體的靜電閥；圖2示出了在完全打開位置的圖1的閥結構；圖3示出了部分打開的圖1的閥結構；圖4示出了相對于在關閉位置的閥具有拉力機構的閥結構；圖5示出了相對于在打開位置的閥具有拉力機構的閥結構；圖6示出了相對于在部分關閉或打開位置的閥具有拉力機構的閥結構；圖7a是閥結構中環形可關閉管子的截面圖；
圖7b示出處于關閉或半關閉狀態的圖7a中的管子的截面圖；圖8a是可以在閥結構中使用的橢圓形可關閉管子的截面圖；圖8b示出了處于關閉狀態的圖8a中的管子的截面圖；圖9示出了一個控制器及其與閥結構的連接。
具體實施例方式
在圖1所示的閥結構10中，相對于使閥的兩個電極11和12保持分離或靠攏的力而施加靜電力。該保持電極分離的力可以是彈性的或氣動性的或其它類似形態，例如膜片18的彈性力。重力一般不作為因素。通過在電極11和12上施加驅動電壓，可在電極之間產生靜電力來改變它們相對于彼此的位置從而作用于閥結構10。閥結構可用是微結構。附圖沒有必要按比例繪制。
閥結構10的頂部件13和底部件14可以是塑料模制的部件。該部件還可以利用各種制造技術由其它材料制成。例如，結構10的部件可以用不同形式的聚合體技術制成。頂部件13可以具有鋁(Al)沉積物，其被施加于頂部件的成角度的(例如1至2度)底側，以形成其上形成有電介質15的電極11，朝向頂部件13的腔16。一個或多個電極的沉積物可以是另一種導電材料。電介質可以是若干合適的材料之一。例子可包括氧化硅、氮化硅或類似物。其它制造電極的技術也可以應用。放大部分17表示在上部件13上合并層11和15的層排列。電極12可以是附加于膜片18的上表面的鋁(Al)層。電介質層19形成在電極或層12上。放大部分21表示在電介質18上合并層12和19的層排列。放大部分17和21不必要按比例繪制。在至少部分地由部件13用電極11和電介質15的表面包圍的腔16的頂部可以是孔22，以使膜片18可向上移動(例如幾十毫米)沒有阻力地進入腔16中，這是由于氣體例如空氣在腔中的壓迫所致。
頂部件13和底部件14可由任何適合的半剛性或剛性材料制成，例如塑膠、陶瓷、硅以及類似物。在一個說明性的例子中，所述部件13和14可以通過對高溫塑膠成型而構造，例如ULTEMTM(可從General Electric Company，Pittsfield，MA獲得)、CELAZOLETM(可從Hoechst-Celanese Corporation，Reading，Summit，NJ獲得)、KETRONTM(可從Polymer Corporation，Reading，PA獲得)，或某些其它適合的材料。在某些例子中，用于膜片18的材料可以具有彈性、回彈性、柔性或其它彈性體的特性。在其它的例子中，膜片18可以由一般適應的材料制成，其可以被彈性地變形并且當一個或多個變形力撤去以后能夠恢復其原始的形狀或形式。在一個例子中，膜片18可以由聚合體制成，例如KAPTONTM(可從E.I.du Pont de Nemours & Co.，Wilmington，DE獲得)、KALADEXTM(可從ICI Films，Wilmington，DE獲得)、MYLARTM(可從E.I.du Pont de Nemours& Co.，Wilmington，DE獲得)，或其它任何適合的材料。對端口和/或膜片使用基于聚合體的襯底的優點是作為結果的閥可以更便宜以及更輕，和/或更適于小的手柄，或者甚至可任意使用或者可重復使用。
通過在膜片18上形成導電涂層的圖案來提供膜片18的一個或多個電極12。例如，一個或多個電極可以通過印刷、電鍍或金屬的EB沉積來形成。在某些情況下，可以使用干片光刻膠來形成電極層的圖案。相同或類似的技術可以用來在上部件13的內表面上提供電極11。膜片18和/或上部件13的內表面可以如所希望的為了作為電極進行操作而制成導電性的，而不是設置成分離的電極層。電介質例如低溫有機體和無機電介質可以被用作致動電極11和12之間的絕緣體。電介質可以在膜片18上的電極12上作為層19并且在上部件13的內表面上的電極11上作為層15而被涂敷。只有一個電極被絕緣電介質涂覆或覆蓋。
膜片18的外周被上部件13和下層24的連接區域23所固定。膜片18可以跨越上部件13和下部件14構件的寬度。膜片18可以在膜片的頂側具有鋁沉積，其作為電極12而操作。電介質19可以沉積在電極12上。
周邊層或構件24可以為近似方形或環形或者是位于上部件13和下部件14之間的其它形狀的界面，其沿著膜片18的周邊或圓周的外部邊緣而被插入，并且固定在層24和上部件13之間，導致位于膜片18之上的腔16和下部件14的底面和膜片18之間的空穴或腔29。層24可以是下部件14的一部分。在層24中的一側可以具有孔或端口27，其中可插入彈性的、柔性的、可收縮的、可壓縮的和/或可擠壓的介質輸送機構25的一端，例如管子25。管子25的另一端在相對側插入層24的另一個孔中，形成端口28。中心電極26位于下部件14的中央，使管子25位于構件或層24之上并從其一側穿過至另一側。如果電極11和12互相沒有靜電吸引力，則膜片18依靠于管子25上，并且擠壓、收縮、或壓緊管子25，用這種方式以使得不允許諸如流體的介質從端口27和28之間的一個或另一個方向流過或通過管子25，結果形成常閉閥。中央電極26比位于頂部結構13和層24之間的膜片的夾住的邊緣略高。由于端口27和端口28之間的閥，這種高度的不同可以在膜片18中引起預感應壓力，該壓力擠壓管子而使之關閉。結構10的整個高度或深度可以是一個或幾個毫米。
通過向頂部件13的電極11和膜片18的電極12施加電壓，膜片可上升且端口27和端口28之間的松開的管子25的連接將打開，如圖2所示，允許介質或流體在端口27和28之間流通。靠著結構13可拉起具有彈性的膜片18的大部分。這種移動被看作是由于施加到電極上的電壓的反向極性利用靜電吸引或力產生的。一次致動所需的能量可以少于1微焦。通過管子25從一個端口流至另一個端口的流體可以是氣體或液體。電壓的數量可以小于推動膜片完全關閉管子25所需的電壓值，從而僅是部分地擠壓管子以部分地關閉或打開管子，允許部分流體以小于如圖3所示膜片18完全離開管子25的速率流過。這樣，通過閥結構10的流體的流動將根據施加在電極11和12上的電勢而不同。具有流體傳輸機構或管子25的不同開口的閥結構10可以允許在端口27和28之間通過可適當關閉的傳輸機構25或可適當擠壓的管子25調節流體的流動或壓力。
放大部分31表明當膜片18的一部分向上緊貼上部件13時層的排列。放大部分31不是必須按比例繪制的。當施加于電極11和12的電壓去除時，回復力和/或膜片18的預感應壓力可以導致膜片返回到它在管子25上的先前位置，從而完全擠壓或壓縮管子以阻止通過它的流體的流動，并且由此關閉常閉閥。由于具有相同極性的電極11和12的靜電排斥力，如果希望，可以用甚至更大的力在靠著中央電極26的管子25上推下膜片18。
由于重要用途或有目的的設計，結構10的膜片18可以在關閉位置發生很小的泄漏。為了補償膜片的泄漏，以防止由于某種不希望的需求、故障或其它因素所引起的降低流動率，需要向管子25施加更大的力。為了高壓流體能在端口27和28之間流動，膜片18需要附加的閉合力。在電極11和12之間的排斥力可以是交替變化的力。附加的閉合力可以由提供拉力的機構32實現，例如彈簧，其可在結構13和膜片18之間供給擴張的拉力，從而強迫膜片18靠著流體輸送機構25以便更有效地控制流體的流動。
拉力機構32可以代替提供收縮拉力，其傾向于在遠離輸送機構25處拉起膜片18。可應用電極11和12之間的靜電排斥力。如所希望的，收縮拉力可提供在管子25上膜片18的較輕的拉力。
拉力提供機構可被附加到或處在結構13和膜18之間或之上，以提供一種或另一種增加的彈力。圖4示出了具有拉力提供機構32的關閉的閥結構10。圖5和圖6分別示出了可結合例如彈簧的拉力機構32的打開和部分打開或部分關閉的閥結構10。
圖7a示出了閥結構10中用作流體輸送機構25的環形管的橫截面。圖7b示出了閉合的管子的橫截面。當這種管子最大程度關閉或被擠壓時，仍然會有一些流體流動或壓力存在于被擠壓的管子的區域33中。為了說明性的目的，區域33在圖7b中以相對的尺寸被夸大了。在某些應用中，剩余的流動或壓力通過區域33傳遞。
圖8a展現了閥結構10中用作流體輸送機構25的另一種管子配置的剖面圖。這種管子25具有兩層附加的、密封的或在明顯的焊縫35上模制在一起的柔性材料層34。圖8b示出了圖8a中閉合的管子的橫截面。當這種管子最大程度地被關閉或被擠壓時，一般沒有如圖7b所示的管子的情形，即沒有供流體的剩余流動或壓力傳遞的打開區域。其它不同種類的管子和流體或壓力輸送機構25可在閥結構10中實現。
閥結構10具有與控制器40相連接的自己的電極，控制器40用于通過向電極11和12施加電壓在該結構中對閥進行控制。利用控制器40可確定、表示和/或提供電壓的極性、大小和定時。控制器40通過程序和/或軟件實現對結構10的控制。控制器40通過施加到電極11和12的電勢影響通過閥結構10的流體流動的速率。控制器40以及不同的到達閥結構的流動速率可被用于不同的應用，例如流動或壓力調節或控制等等。提供給電極的信號可以是具有不同大小的電壓的模擬信號，或者是具有恒定大小電壓以足夠完全打開閥(即管子)或者沒有大小以完全關閉閥的數字信號。信號的格式可從數字的轉換成模擬的和/或從模擬的轉換成數字的。控制器40與閥結構10的接口如圖3所示。結構10可容易地設計成滿足各種應用，例如在用于微型血細胞計數器或其它設備的可任意使用的管頭中應用。結構10還可以結合在MEMS設備或類似的設備中。
在本說明書中，部分材料盡管不是必須如說明所述，但可以是假想的或模擬性的。
盡管本發明參照至少一個說明性的實施例進行了描述，在本說明書的基礎上，本領域技術人員可以作出多種變形和改進。因此將附加的權利要求解釋為鑒于已有的技術盡可以寬地包括所有變形和改進。
權利要求
1.一種靜電閥，包括底部結構；位于所述底部結構上的頂部結構；位于所述底部結構和所述頂部結構之間的膜片；位于所述底部結構和所述膜片之間的輸送結構；附加到所述膜片上的第一導體；以及附加到所述頂部結構上的第二導體。
2.如權利要求1所述的閥，其中所述膜片具有使所述輸送結構從關閉到打開的多個狀態。
3.如權利要求2所述的閥，其中所述第一和第二導體上的足夠的電勢可導致所述膜片處于所述狀態之中的一種；以及所述第一和第二導體上沒有足夠的電勢時可導致所述膜片處于另一個狀態。
4.如權利要求3所述的閥，其中所述多個狀態中的某些可以是調制狀態。
5.如權利要求3所述的閥，其中所述底部結構、所述頂部結構、所述膜片和/或所述輸送結構以聚合體技術制備。
6.如權利要求5所述的閥，其中所述輸送結構是柔性管。
7.如權利要求6所述的閥，其中所述柔性管具有從所述閥的外部可進入的端口。
8.如權利要求7所述的閥，其中所述第一導體是所述膜片上的金屬層；以及所述第二導體是所述頂部結構的內表面上的金屬層。
9.如權利要求8所述的閥，其中電介質涂層在所述第一和第二導體中的至少一個上。
10.如權利要求9所述的閥，其中所述底部結構和所述頂部結構都是塑膠部件。
11.如權利要求10所述的閥，其中控制器與所述第一和第二導體相連接。
12.如權利要求3所述的閥，進一步包括附加到所述膜片上的拉力機構。
13.一種閥結構，包括基底；位于所述基底上的周邊層；位于所述周邊層之上的膜片；位于所述膜片的周邊上的腔結構；附加到所述腔結構上的第一電極；附加到所述膜片上的第二電極；以及位于所述基底和所述膜片之間的管子。
14.如權利要求13所述的結構，其中所述膜片具有第一位置和第二位置；所述膜片在所述第一位置關閉所述管子；以及所述膜片在所述第二位置至少部分地打開所述管子。
15.如權利要求14所述的結構，其中在所述第一和第二電極上施加電壓可使得所述膜片移動到所述第二位置；以及從所述第一和第二電極上去除所述電壓可使得所述膜片移動到所述第一位置。
16.如權利要求15所述的結構，進一步包括位于所述基底上貼近所述管子的障礙物；并且其中當所述周邊層和所述腔結構之間的所述膜片的夾住的邊緣覆蓋所述障礙物距所述基底的距離時，由于預感應的壓力，位于所述第一位置的膜片利用將所述管子推向所述障礙物的力關閉所述管子。
17.如權利要求16所述的結構，進一步包括與所述膜片相連接的拉力機構。
18.如權利要求16所述的結構，其中所述腔結構具有口。
19.如權利要求18所述的結構，其中所述管子將所述周邊層外邊緣處的第一端口與所述周邊層外邊緣處的第二端口相連接。
20.如權利要求19所述的結構，其中所述第一電極是在所述腔結構的內表面上的第一導電涂層；以及所述第二電極是在所述膜片上的第二導電涂層。
21.如權利要求20所述的結構，進一步包括形成在所述第一和第二導電涂層的至少一個上的電介質層。
22.如權利要求21所述的結構，其中所述基底、所述腔結構、所述周邊結構和/或所述膜片以聚合體技術制備。
23.如權利要求15所述的結構，進一步包括與所述電極相連接的控制器。
24.一種流體控制設備，包括具有基底的第一部件，具有第一端口和第二端口的周邊壁，以及位于所述基底上的支撐結構；至少部分位于所述支撐結構上的管子，并且具有與所述第一端口相連接的第一端和與所述第二端口相連接的第二端；位于所述周邊壁上且覆蓋所述周邊壁內的區域的膜片；位于臨近所述周邊壁的膜片上且在所述周邊壁內的區域上具有空穴的第二部件；附加到所述膜片上的第一電極；以及附加到所述空穴的內表面的第二電極。
25.如權利要求24所述的設備，其中至少部分地壓縮所述管子的所述膜片是所述膜片的第一位置；以及不壓縮所述管子的所述膜片是所述膜片的第二位置。
26.如權利要求25所述的設備，其中將電勢施加于所述第一和第二電極可導致所述膜片位于第二位置；以及部分地或者不將電勢施加于所述第一和第二電極可導致所述膜片位于第一位置。
27.如權利要求26所述的設備，進一步包括與所述第一和第二電極相連的控制器。
28.如權利要求26所述的設備，其中所述第一部件、所述第二部件和所述膜片以聚合體技術制備。
29.如權利要求28所述的設備，其中所述第一和第二部件為塑膠部件。
30.如權利要求26所述的設備，其中所述第一和第二電極中的至少一個被電介質材料涂覆。
31.一種靜電致動閥，包括在周邊具有脊部的底部件；位于所述底部件上的支柱；位于所述支柱上的可擠壓的管子，具有用作外部進入的在所述脊部處的第一端和用于外部進入的在所述脊部處的第二端；在所述底部件之上的膜片，在所述脊部處具有邊緣；夾住所述膜片邊緣的具有脊部的頂部件；附加到所述膜片的第一電極；以及附加到所述頂部件的底側的第二電極。
32.如權利要求31所述的閥，其中所述支柱超過所述膜片的邊緣；以及通常所述膜片推動所述管子從而關閉所述第一端和所述第二端之間的通道。
33.如權利要求32所述的閥，其中將電壓施加于所述第一電極和所述第二電極，提升所述膜片離開所述管子從而至少部分地打開所述第一端和所述第二端之間的通道。
34.如權利要求33所述的閥，其中電介質材料沉積在所述第一和第二電極中的至少一個上。
35.如權利要求34所述的閥，其中所述頂部件和所述底部件是塑膠模制的部件；以及所述管子包括塑膠制品。
全文摘要
一種閥結構，具有頂部件、柔性的介質輸送機構比如管子、膜片和具有對管子的支撐的底部件。膜片的頂表面和頂部件的底表面有附加的電極。當沒有在電極上施加電勢時，膜片停留在原處且關閉柔性管中的通道，以有效地防止流體流動。當在電極上施加電勢時，膜片上升離開管子從而打開或部分打開管子中的通道，以使介質流動或傳輸壓力。部分的打開是出于調節的目的。拉力機構附加到膜片上。控制器向電極施加電勢用于至少部分地打開或關閉閥。
文檔編號H02N1/00GK1807943SQ20051011915
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月21日 優先權日2004年12月21日
發明者E·I·卡布茲, 王自佑, C·卡布茲 申請人:霍尼韋爾國際公司