專利名稱：介質(zhì)隔離的靜電致動閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及閥，尤其是靜電致動閥。更特別地，本發(fā)明涉及與所控制的介質(zhì)隔離的靜電致動閥。
與本發(fā)明相關(guān)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(jié)合在此。與本發(fā)明相關(guān)的發(fā)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(jié)合在此。本發(fā)明還與具有代理人標(biāo)識號H0003388-0765(1161.1167101)、給予Bonne等人的“靜電致動氣閥”，以及幾乎同時(shí)提交的并具有代理人標(biāo)識號H0008509-0760(1100.1314101)、給予Cabuz等人的“中間閥調(diào)節(jié)器”的專利申請相關(guān)，通過引用將其全部結(jié)合在此。

發(fā)明內(nèi)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(shù)下發(fā)展的設(shè)備(傳感器、致動器等等)將低功率和低成本與聚合體技術(shù)提供的多功能性相結(jié)合。本發(fā)明可將低成本塑膠制造結(jié)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(guān)閉位置的閥結(jié)構(gòu)相隔離的介質(zhì)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(jié)構(gòu)；圖3示出了部分打開的圖1的閥結(jié)構(gòu)；圖4示出了相對于在關(guān)閉位置的閥具有拉力機(jī)構(gòu)的閥結(jié)構(gòu)；圖5示出了相對于在打開位置的閥具有拉力機(jī)構(gòu)的閥結(jié)構(gòu)；圖6示出了相對于在部分關(guān)閉或打開位置的閥具有拉力機(jī)構(gòu)的閥結(jié)構(gòu)；圖7a是閥結(jié)構(gòu)中環(huán)形可關(guān)閉管子的截面圖；
圖7b示出處于關(guān)閉或半關(guān)閉狀態(tài)的圖7a中的管子的截面圖；圖8a是可以在閥結(jié)構(gòu)中使用的橢圓形可關(guān)閉管子的截面圖；圖8b示出了處于關(guān)閉狀態(tài)的圖8a中的管子的截面圖；圖9示出了一個(gè)控制器及其與閥結(jié)構(gòu)的連接。
具體實(shí)施例方式
在圖1所示的閥結(jié)構(gòu)10中，相對于使閥的兩個(gè)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(tài)，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(qū)動電壓，可在電極之間產(chǎn)生靜電力來改變它們相對于彼此的位置從而作用于閥結(jié)構(gòu)10。閥結(jié)構(gòu)可用是微結(jié)構(gòu)。附圖沒有必要按比例繪制。
閥結(jié)構(gòu)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(shù)由其它材料制成。例如，結(jié)構(gòu)10的部件可以用不同形式的聚合體技術(shù)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(cè)，以形成其上形成有電介質(zhì)15的電極11，朝向頂部件13的腔16。一個(gè)或多個(gè)電極的沉積物可以是另一種導(dǎo)電材料。電介質(zhì)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(shù)也可以應(yīng)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(zhì)層19形成在電極或?qū)?2上。放大部分21表示在電介質(zhì)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(zhì)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(jìn)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(gè)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(gòu)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(yīng)的材料制成，其可以被彈性地變形并且當(dāng)一個(gè)或多個(gè)變形力撤去以后能夠恢復(fù)其原始的形狀或形式。在一個(gè)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(yōu)點(diǎn)是作為結(jié)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(fù)使用。
通過在膜片18上形成導(dǎo)電涂層的圖案來提供膜片18的一個(gè)或多個(gè)電極12。例如，一個(gè)或多個(gè)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(shù)可以用來在上部件13的內(nèi)表面上提供電極11。膜片18和/或上部件13的內(nèi)表面可以如所希望的為了作為電極進(jìn)行操作而制成導(dǎo)電性的，而不是設(shè)置成分離的電極層。電介質(zhì)例如低溫有機(jī)體和無機(jī)電介質(zhì)可以被用作致動電極11和12之間的絕緣體。電介質(zhì)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(nèi)表面上的電極11上作為層15而被涂敷。只有一個(gè)電極被絕緣電介質(zhì)涂覆或覆蓋。
膜片18的外周被上部件13和下層24的連接區(qū)域23所固定。膜片18可以跨越上部件13和下部件14構(gòu)件的寬度。膜片18可以在膜片的頂側(cè)具有鋁沉積，其作為電極12而操作。電介質(zhì)19可以沉積在電極12上。
周邊層或構(gòu)件24可以為近似方形或環(huán)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(dǎo)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(cè)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(zhì)輸送機(jī)構(gòu)25的一端，例如管子25。管子25的另一端在相對側(cè)插入層24的另一個(gè)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(gòu)件或?qū)?4之上并從其一側(cè)穿過至另一側(cè)。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(zhì)從端口27和28之間的一個(gè)或另一個(gè)方向流過或通過管子25，結(jié)果形成常閉閥。中央電極26比位于頂部結(jié)構(gòu)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(yù)感應(yīng)壓力，該壓力擠壓管子而使之關(guān)閉。結(jié)構(gòu)10的整個(gè)高度或深度可以是一個(gè)或幾個(gè)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(zhì)或流體在端口27和28之間流通。靠著結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(gè)端口流至另一個(gè)端口的流體可以是氣體或液體。電壓的數(shù)量可以小于推動膜片完全關(guān)閉管子25所需的電壓值，從而僅是部分地?cái)D壓管子以部分地關(guān)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(jié)構(gòu)10的流體的流動將根據(jù)施加在電極11和12上的電勢而不同。具有流體傳輸機(jī)構(gòu)或管子25的不同開口的閥結(jié)構(gòu)10可以允許在端口27和28之間通過可適當(dāng)關(guān)閉的傳輸機(jī)構(gòu)25或可適當(dāng)擠壓的管子25調(diào)節(jié)流體的流動或壓力。
放大部分31表明當(dāng)膜片18的一部分向上緊貼上部件13時(shí)層的排列。放大部分31不是必須按比例繪制的。當(dāng)施加于電極11和12的電壓去除時(shí)，回復(fù)力和/或膜片18的預(yù)感應(yīng)壓力可以導(dǎo)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(guān)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(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)10的膜片18可以在關(guān)閉位置發(fā)生很小的泄漏。為了補(bǔ)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(jī)構(gòu)32實(shí)現(xiàn)，例如彈簧，其可在結(jié)構(gòu)13和膜片18之間供給擴(kuò)張的拉力，從而強(qiáng)迫膜片18靠著流體輸送機(jī)構(gòu)25以便更有效地控制流體的流動。
拉力機(jī)構(gòu)32可以代替提供收縮拉力，其傾向于在遠(yuǎn)離輸送機(jī)構(gòu)25處拉起膜片18?？蓱?yīng)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(jī)構(gòu)可被附加到或處在結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)32的關(guān)閉的閥結(jié)構(gòu)10。圖5和圖6分別示出了可結(jié)合例如彈簧的拉力機(jī)構(gòu)32的打開和部分打開或部分關(guān)閉的閥結(jié)構(gòu)10。
圖7a示出了閥結(jié)構(gòu)10中用作流體輸送機(jī)構(gòu)25的環(huán)形管的橫截面。圖7b示出了閉合的管子的橫截面。當(dāng)這種管子最大程度關(guān)閉或被擠壓時(shí)，仍然會有一些流體流動或壓力存在于被擠壓的管子的區(qū)域33中。為了說明性的目的，區(qū)域33在圖7b中以相對的尺寸被夸大了。在某些應(yīng)用中，剩余的流動或壓力通過區(qū)域33傳遞。
圖8a展現(xiàn)了閥結(jié)構(gòu)10中用作流體輸送機(jī)構(gòu)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(dāng)這種管子最大程度地被關(guān)閉或被擠壓時(shí)，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(qū)域。其它不同種類的管子和流體或壓力輸送機(jī)構(gòu)25可在閥結(jié)構(gòu)10中實(shí)現(xiàn)。
閥結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中對閥進(jìn)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(shí)?？刂破?0通過程序和/或軟件實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)10的控制?？刂破?0通過施加到電極11和12的電勢影響通過閥結(jié)構(gòu)10的流體流動的速率?？刂破?0以及不同的到達(dá)閥結(jié)構(gòu)的流動速率可被用于不同的應(yīng)用，例如流動或壓力調(diào)節(jié)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(guān)閉閥的數(shù)字信號。信號的格式可從數(shù)字的轉(zhuǎn)換成模擬的和/或從模擬的轉(zhuǎn)換成數(shù)字的?？刂破?0與閥結(jié)構(gòu)10的接口如圖3所示。結(jié)構(gòu)10可容易地設(shè)計(jì)成滿足各種應(yīng)用，例如在用于微型血細(xì)胞計(jì)數(shù)器或其它設(shè)備的可任意使用的管頭中應(yīng)用。結(jié)構(gòu)10還可以結(jié)合在MEMS設(shè)備或類似的設(shè)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(fā)明參照至少一個(gè)說明性的實(shí)施例進(jìn)行了描述，在本說明書的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作出多種變形和改進(jìn)。因此將附加的權(quán)利要求解釋為鑒于已有的技術(shù)盡可以寬地包括所有變形和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種靜電閥，包括底部結(jié)構(gòu)；位于所述底部結(jié)構(gòu)上的頂部結(jié)構(gòu)；位于所述底部結(jié)構(gòu)和所述頂部結(jié)構(gòu)之間的膜片；位于所述底部結(jié)構(gòu)和所述膜片之間的輸送結(jié)構(gòu)；附加到所述膜片上的第一導(dǎo)體；以及附加到所述頂部結(jié)構(gòu)上的第二導(dǎo)體。
2.如權(quán)利要求1所述的閥，其中所述膜片具有使所述輸送結(jié)構(gòu)從關(guān)閉到打開的多個(gè)狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求2所述的閥，其中所述第一和第二導(dǎo)體上的足夠的電勢可導(dǎo)致所述膜片處于所述狀態(tài)之中的一種；以及所述第一和第二導(dǎo)體上沒有足夠的電勢時(shí)可導(dǎo)致所述膜片處于另一個(gè)狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求3所述的閥，其中所述多個(gè)狀態(tài)中的某些可以是調(diào)制狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求3所述的閥，其中所述底部結(jié)構(gòu)、所述頂部結(jié)構(gòu)、所述膜片和/或所述輸送結(jié)構(gòu)以聚合體技術(shù)制備。
6.如權(quán)利要求5所述的閥，其中所述輸送結(jié)構(gòu)是柔性管。
7.如權(quán)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(jìn)入的端口。
8.如權(quán)利要求7所述的閥，其中所述第一導(dǎo)體是所述膜片上的金屬層；以及所述第二導(dǎo)體是所述頂部結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上的金屬層。
9.如權(quán)利要求8所述的閥，其中電介質(zhì)涂層在所述第一和第二導(dǎo)體中的至少一個(gè)上。
10.如權(quán)利要求9所述的閥，其中所述底部結(jié)構(gòu)和所述頂部結(jié)構(gòu)都是塑膠部件。
11.如權(quán)利要求10所述的閥，其中控制器與所述第一和第二導(dǎo)體相連接。
12.如權(quán)利要求3所述的閥，進(jìn)一步包括附加到所述膜片上的拉力機(jī)構(gòu)。
13.一種閥結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)；附加到所述腔結(jié)構(gòu)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(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，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(guān)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(quán)利要求14所述的結(jié)構(gòu)，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(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(dāng)所述周邊層和所述腔結(jié)構(gòu)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(shí)，由于預(yù)感應(yīng)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(guān)閉所述管子。
17.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括與所述膜片相連接的拉力機(jī)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述腔結(jié)構(gòu)具有口。
19.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，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(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一電極是在所述腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上的第一導(dǎo)電涂層；以及所述第二電極是在所述膜片上的第二導(dǎo)電涂層。
21.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括形成在所述第一和第二導(dǎo)電涂層的至少一個(gè)上的電介質(zhì)層。
22.如權(quán)利要求21所述的結(jié)構(gòu)，其中所述基底、所述腔結(jié)構(gòu)、所述周邊結(jié)構(gòu)和/或所述膜片以聚合體技術(shù)制備。
23.如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括與所述電極相連接的控制器。
24.一種流體控制設(shè)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(jié)構(gòu)；至少部分位于所述支撐結(jié)構(gòu)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(nèi)的區(qū)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(nèi)的區(qū)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(nèi)表面的第二電極。
25.如權(quán)利要求24所述的設(shè)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(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中將電勢施加于所述第一和第二電極可導(dǎo)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(dǎo)致所述膜片位于第一位置。
27.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括與所述第一和第二電極相連的控制器。
28.如權(quán)利要求26所述的設(shè)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(shù)制備。
29.如權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其中所述第一和第二部件為塑膠部件。
30.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中所述第一和第二電極中的至少一個(gè)被電介質(zhì)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(jìn)入的在所述脊部處的第一端和用于外部進(jìn)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(cè)的第二電極。
32.如權(quán)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(guān)閉所述第一端和所述第二端之間的通道。
33.如權(quán)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(quán)利要求33所述的閥，其中電介質(zhì)材料沉積在所述第一和第二電極中的至少一個(gè)上。
35.如權(quán)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(jié)構(gòu)，具有頂部件、柔性的介質(zhì)輸送機(jī)構(gòu)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(dāng)沒有在電極上施加電勢時(shí)，膜片停留在原處且關(guān)閉柔性管中的通道，以有效地防止流體流動。當(dāng)在電極上施加電勢時(shí)，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(zhì)流動或傳輸壓力。部分的打開是出于調(diào)節(jié)的目的。拉力機(jī)構(gòu)附加到膜片上?？刂破飨螂姌O施加電勢用于至少部分地打開或關(guān)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(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)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