SE1000299A1

SE1000299A1 - Integrated pressure programmable reference pressure device

Info

Publication number: SE1000299A1
Application number: SE1000299A
Authority: SE
Inventors: Lars Stenmark
Original assignee: Maanbas Alpha Ab
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-01
Also published as: SE536813C2

Abstract

lO 14 AB STRAKT Uppﬂnningen som presenteras i denna ansökan är en mikromekaniskstödanordning för andra míkrosystem. Applikationsområdet ärhuvudsakligen MEMS (MST) baserade högtrycksmikrosystem, som användersig av ett internt referenstryck för mätning eller ﬂödeskontroll. De smådimensionerna inblandade i MEMS system resulterar i ett oundvikligtproblem, nämligen att trycket i de små instängda volymerna ireferenstryckskaviteterna lätt kan förändras genom mycket liten läckningeller diffusion. Uppﬁnningen är en programmerbar passiv mekaniskanordning, som programmeras endast genom en tryck mot tid proﬁl i enprogammeringskanal. Tryckprogrammeringsmetoden medger att tusentals gashanteringsmikrosystem programmeras samtidigt på ett mycket bekvämt sätt. lO 14 AB STRAKT The invention presented in this application is a micromechanical support device for other microsystems. The application area is mainly MEMS (MST) based high pressure microsystems, which use an internal reference pressure for measurement or fate control. The small dimensions involved in the MEMS system result in an inevitable problem, namely that the pressure in the small trapped volumes of the reference pressure cavities can be easily changed by very little leakage or diffusion. The invention is a programmable passive mechanical device, which is programmed only by a pressure versus time profile in a programming channel. The pressure programming method allows thousands of gas handling microsystems to be programmed simultaneously in a very convenient manner.

Description

15 20 25 30 2 lagras är stor används ofta stora, tunga och otympliga ﬂaskor för att minska mängden hightrycks komponenter med vidhängande rördragning. Mikro system tekniken (MST) är ett framväxande nytt teknikområde, som har potentialen att totalt förändra gaslagrings och hanteringstekniken vilket innebär att gas blir mycket mer tillgängligt som energibärare i bilar och för andra mobila applikationer i framtiden. Men för att hantera stora flöden med små mikrosystem krävs det att mikrosystemen är autonoma men kan kan samarbeta parallellt i mycket stora antal. Nackdelen är att om en parameter ändras och samtliga mikrosystem behöver justeras blir det väldigt opraktiskt. Uppﬁnningen som presenteras i denna ansökan ger en metod för att batchprogrammera ett obegränsat antal mikrosystem samtidigt, vilket löser problemet. 15 20 25 30 2 stored is large large, heavy and awkward boxes are often used to reduce the amount of high pressure components with associated piping. Micro system technology (MST) is an emerging new technology area, which has the potential to completely change gas storage and handling technology, which means that gas will be much more available as an energy carrier in cars and for other mobile applications in the future. But to handle large flows with small microsystems, it is required that the microsystems are autonomous but can work in parallel in very large numbers. The disadvantage is that if a parameter is changed and all microsystems need to be adjusted, it becomes very impractical. The solution presented in this application provides a method for batch programming an unlimited number of microsystems simultaneously, which solves the problem.

SAMMANFATTNING Den häri presenterade uppfinningen löser ett viktigt problem för samarbetande autonoma mikrosystem såsom Makrosfär konceptet, som uppträder om samma gashanteringschip skall användas för olika typer av gas, se bakgrunden. Problemet som löses är att sekondärtrycket ut från varje Makrosfär kan ändras eller harmoniseras varje gång sfärerna äterfylls.SUMMARY The invention presented herein solves an important problem for cooperating autonomous microsystems such as the Macrosphere concept, which occurs if the same gas handling chip is to be used for different types of gas, see background. The problem that is solved is that the secondary pressure from each Macrosphere can be changed or harmonized each time the spheres are refilled.

Programmeringsmetoden, som använder en fyllnadstryck mot tid profil, är mycket lämplig för massprogrammering av mikrosystem, inte bara för Makrosfärerna utan även i många andra mikrosystem för gashantering.The programming method, which uses a filling pressure against time profile, is very suitable for mass programming of microsystems, not only for the Macrospheres but also in many other microsystems for gas handling.

Systemet består av tre huvudkomponenter utanför den slutna referenstrycksvolymen, dessa är följande, en normalt stängd tryckstyrd ventil, en backventil och en aktiv ﬂödesbegränsare. Komponenterna är tätt integrerade i samma trave av mikrobearbetade brickor, ett typiskt material för brickorna är monokristallint kisel. Systemet kan vara ganska litet några få kubikmillimeter med en vikt mindre än 5 milligram. För att förhindra att föroreningar smyger sig in i systemet och orsakar ventilläckage måste gasen, som används i systemet vara mycket väl filtrerad. Men erfoderliga ﬁlter ses 10 15 20 25 3 inte som en del av uppfinningen, eftersom filtrering är en standard procedur när man har med mikrosystem att göra.The system consists of three main components outside the closed reference pressure volume, these are the following, a normally closed pressure-controlled valve, a non-return valve and an active flow limiter. The components are tightly integrated in the same stack of micromachined washers, a typical material for the washers is monocrystalline silicon. The system can be quite small a few cubic millimeters with a weight less than 5 milligrams. To prevent contaminants from creeping into the system and causing valve leakage, the gas used in the system must be very well filtered. However, required filters are not seen as part of the invention, as filtration is a standard procedure when dealing with microsystems.

KORT BESKRIVNING AV FIGURERNA Figur 1 visar på några applikationsområden för anordningen.BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES Figure 1 shows some application areas for the device.

Figur 2 är ett system block schema.Figure 2 is a system block diagram.

Figur 3 är ett diagram för olika tryck mot tidkurvor vid programmering.Figure 3 is a diagram for different pressures against time curves during programming.

Figur 4 är en genomskärning genom en trave sammanfogade brickor med systemet integrerat Figur 5A är en genomskärning genom en normalt stängd ventil integrerad i en fem brickors trave Figur 5B är en genomskärning genom en mer kompakt normalt stängd ventil integrerad i en fyra brickors trave.Figure 4 is a section through a stack of joined washers with the system integrated. Figure 5A is a section through a normally closed valve integrated in a five tray stack Figure 5B is a section through a more compact normally closed valve integrated in a four tray stack.

Figur 6 är en genomskärning genom en typisk backventil.Figure 6 is a section through a typical non-return valve.

Figur 7 är en illustration av en passiv ﬂödesbegränsare.Figure 7 is an illustration of a passive fate limiter.

Figur 8 är en genomskärning genom en aktiv osymmetrisk ﬂödesbegränsare.Figure 8 is a section through an active asymmetric ﬂ fate limiter.

DETALJERAD BESKRIVNING Anordningen som presenteras i denna patentansökan är en passiv stödanordning, som kan vara mycket användbar i många system för gas hantering eller till och med möjliggöra en helt ny generation av mer komplexa och ”smartare” mikro ﬂuidiksystem, speciellt för små autonoma system, i vilka ingen möjlighet för aktiv eller manuell kontroll finns tillgänglig. Den fysiska storleken (typiskt l-lOOpm) av komponenterna i ett mikromekaniskt system gör mekanisk justering eller ﬁntrimmning mycket 10 15 20 25 30 4 besvärlig, för att inte säga omöjlig, eftersom en justeringsskruv sannoligt är många gånger större än objektet, som skall justeras med densamma.DETAILED DESCRIPTION The device presented in this patent application is a passive support device, which can be very useful in many gas handling systems or even enable a whole new generation of more complex and "smarter" micro-systems, especially for small autonomous systems, in which no possibility of active or manual control is available. The physical size (typically 1-100pm) of the components of a micromechanical system makes mechanical adjustment or trimming very difficult, if not impossible, since an adjusting screw is likely to be many times larger than the object to be adjusted with the same.

Uppfinningen är en programmerbar anordning, som använder en kontrolltrycks mot tid proﬁl för programmering den kan användas regelbundet för att uppdatera en given trycknivå för att kompensera för långtidsdrift. En typisk applikation kan vara att uppdatera referenstrycket i en trycksensor, en vanlig typ avbildas i figur 1A. Den består av en mikromekaniskt bearbetad bricka (100) hermetiskt tätt sammanfogad mot ett huvudsubstrat ( 10 1). Sensorn använder en uppsättning trådtöjningsgivare (104) monterade på toppen av ett membran (103).The invention is a programmable device, which uses a control pressure versus time per program for programming it can be used regularly to update a given pressure level to compensate for long-term operation. A typical application may be to update the reference pressure in a pressure sensor, a common type is depicted in Figure 1A. It consists of a micromechanically machined washer (100) hermetically sealed against a main substrate (10 1). The sensor uses a set of wire strain gauges (104) mounted on top of a diaphragm (103).

Membranet buktar upp eller ner beroende på differentialtrycket mellan referenskaviteten (102) och det applicerade yttre trycket (115) på sensorn.The diaphragm bends up or down depending on the differential pressure between the reference cavity (102) and the applied external pressure (115) on the sensor.

Utbuktningen kan användas för att mäta det absoluta värdet på det applicerade yttre trycket förutsatt att referenskammartrycket är väl känt.The bulge can be used to measure the absolute value of the applied external pressure provided that the reference chamber pressure is well known.

Eftersom det inneslutna volymen är mycket liten, typisk delar av en kubikmillimeter ställs det höga krav på läcktäthet i den s. k. bondfogen (105). Nogrannheten blir inte bättre än hur väl refrenstrycket är känt och bibehållet. Ett problem som hänger ihop med sammanfogade (bonda) brickor är att både bondnings och den efterföjande värmebehandlingen påverkar det inneslutna trycket i en relativt okänd utsträckning eftersom utgasningen från de aktiverade sammanfogningsytorna ger en ökning av det interna trycket. Ett alternativ för högre nogrannhet är att trycket kan justeras. Det är ett av skälen för uppfinningen.Since the enclosed volume is very small, typically parts of a cubic millimeter, high demands are placed on leakage tightness in the so-called bond joint (105). The accuracy does not get better than how well the reference pressure is known and maintained. A problem associated with joined (bonded) washers is that both bonding and the subsequent heat treatment affect the entrapped pressure to a relatively unknown extent because the outgassing from the activated joining surfaces gives an increase in the internal pressure. An alternative for higher accuracy is that the pressure can be adjusted. That is one of the reasons for the invention.

Ett annat exempel är en normalt stängd tryckstyrd bistabil ventil. En genomskärning genom en sådan ventil ges i figur lB. Ventiltypen används för att kontrollera ﬂödessekvenser i ﬂuidik system. En raketmotor är ett bra exempel där det är viktigt att det är tryck i förbränningskammaren innan bränslet tillåts att strömma i i densamma. Ventilen består av tre brickor (106-108) läcktätt sammanfogade. I bricka (106) är en kavitet (110) utetsad så att återstående material formar ett tryckkänsligt membran (109), som i trycksensorn. Det rycksatta bränslet kommer in i ventilen via en port (113), men kan inte passera ventilsätet (112) eftersom membranet stänger av ﬂödesvägen och eftersom ytan innanför ventilsätet är mycket liten jämfört 10 15 20 25 30 5 med den aktiva den av membranet, så kommer ventilen förbli stängd även om bränsletrycket är högt, men så fort det är tillräckligt högt tryck vid utloppet (111) börjar membranet bukta ner och så fort vätskan kan passera ventilsätet ökar trycket ytterligare och ventilen öppnar med en lavineffekt.Another example is a normally closed pressure-controlled bistable valve. A cross-section through such a valve is given in Figure 1B. The valve type is used to control fate sequences in different systems. A rocket engine is a good example where it is important that there is pressure in the combustion chamber before the fuel is allowed to flow into it. The valve consists of three washers (106-108) leak-tightly joined. In the washer (106), a cavity (110) is etched so that the remaining material forms a pressure-sensitive membrane (109), as in the pressure sensor. The jerked fuel enters the valve through a port (113), but cannot pass the valve seat (112) because the diaphragm shuts off the path of fate and because the surface inside the valve seat is very small compared to the active one of the diaphragm, so the valve will remain closed even if the fuel pressure is high, but as soon as there is a sufficiently high pressure at the outlet (111) the diaphragm begins to bulge down and as soon as the liquid can pass the valve seat the pressure increases further and the valve opens with an avalanche effect.

Ventilen kommer att förbli öppen så länge det finns ett brånsletryck i systemet. Om kaviteten är kopplad till uppfinningen, den integrerade tryckprogrammerbar referenstrycksanordningen, så kan öppningstrycket justeras för olika applikationer, Wilket i sin tur kan vara mycket användbart.The valve will remain open as long as there is a fuel pressure in the system. If the cavity is connected to the invention, the integrated pressure programmable reference pressure device, then the opening pressure can be adjusted for different applications, Wilket in turn can be very useful.

Uppﬁnningen kan också användas för att sätta nya referensvärden i anordningar som t. ex. en mer normal passiv tryckregulator, som kan behöva olika sekundärtryck för olika applikationer. En applikation kan vara i ett fordon som kan använda olika gasformiga bränslen som Biogas,LNG,Våtgas,osv.The invention can also be used to set new reference values in devices such as. a more normal passive pressure regulator, which may need different secondary pressures for different applications. An application can be in a vehicle that can use different gaseous fuels such as Biogas, LNG, Wet gas, etc.

Ett blockschema för anordningen ges i figur 2. Anordningen består av två ventiler och en ﬂödesbegränsare mellan programmeringsingången (201) som följer systemtrycket och matningskanalen (202) som leder till referenstrycks- kaviteten (203). Backventilen (204) är en konventionell mikromekanisk ventil med ett relativt högt öppningstryck, för att vara läcktåt under normala förhållanden. Den används för att skydda systemet när uppdaterings eller programmeringssekvensen startar med en påtaglig tryckökning, väl över det maximala arbetstrycket för anordningen. Backventilen skall öpnna innan tryckökningen når en kritisk nivå för att spränga det tryckkänsliga membranet i referenstryckskaviteten, så snart massﬂödet går ner stänger ventilen igen eftersom differentialtrycket över ventilen blir lågt. Den andra ventilen (205) i systemet är nyckelkomponenten, det är en tryckstyrd normalt stängd ventil, även den ventil använder ett högt kontakttryck och en liten diameter på ventilsätet för att vara läcktåt. Ventilen har en egen liten referenstryckskammare ansluten till kontrollingången (206), när systemtrycket går upp så fylls referenskammaren sakta genom en ﬂödesbegränsare (207) men trycket vid ventilingången (208) stiger snabbare eftersom den är direkt kopplad till till systemtrycksingången (201), så ventilen förblir stängd. När å andra sidan systemtrycket börjar falla, faller det snabbare vid ventilingången (208) än vid kontrol ingången (206) när 10 15 20 25 30 6 differentialtrycket blir stort nog så öppnar ventilen vilket resulterar i ett massﬂöde från referenskammaren (203) till programmeringsingången (201).A block diagram of the device is given in Figure 2. The device consists of two valves and a fate limiter between the programming input (201) which follows the system pressure and the supply channel (202) which leads to the reference pressure cavity (203). The non-return valve (204) is a conventional micromechanical valve with a relatively high opening pressure, to be leak-proof under normal conditions. It is used to protect the system when the update or programming sequence starts with a significant pressure increase, well above the maximum operating pressure of the device. The non-return valve must open before the pressure increase reaches a critical level to burst the pressure-sensitive diaphragm in the reference pressure cavity, as soon as the mass drop decreases the valve closes again because the differential pressure across the valve becomes low. The second valve (205) in the system is the key component, it is a pressure controlled normally closed valve, also that valve uses a high contact pressure and a small diameter of the valve seat to be leak tight. The valve has its own small reference pressure chamber connected to the control inlet (206), when the system pressure rises the reference chamber is slowly filled by a fate limiter (207) but the pressure at the valve inlet (208) rises faster because it is directly connected to the system pressure inlet (201). remains closed. On the other hand, when the system pressure begins to drop, it drops faster at the valve inlet (208) than at the control inlet (206) when the differential pressure becomes large enough to open the valve resulting in a mass ﬂ from the reference chamber (203) to the programming input (203). 201).

Nu om tryckminskningen stoppas på en förbestäm nivå (inställningsvärdet) för en tidsperiod så kommer trycket i referensvolymen (203) att bli lika med systemtrycket vid (201). Den öppna normalt stängda ventilen (205) kommer att stänga igen när trycket i dess egen referensvolym har dränerats genom ﬂödesbegränsaren (207). Om ventilen stänger när systemtrycket fortfarande är konstant på den förbestämda nivån så kommer det trycket att bli ”inlåst” i referenskammaren (203). Nästa gång när en programmeringscykel kan ett annat referenstryck bli fritt valt. Kanaltrycken som funktion av tid ges i figur 3. Vid början av processen är alla kanaltrycken, kanaltrycket i kanal (206) ges av kurva (302), i kanal (209) ges av kurva (303), i kanal (210) ges av kurva (304) vid samma högatryck P1 ((301). Vid tidpunkten tl (305) börjar ingångstrycket i kanal (209) att falla med god fart. När trycket har fallit till P2 (306) vid t2 (307) är differentialtrycket (308)så högt att den normalt stängda ventilen (205) tvingas att öppna och trycket i kanal (210), vilket är refernstrycket, kommer att närma sig kurva (303) så när ingångstrycket slutar falla vid t3 kommer referenstrycket mycket snabbt bli samma som ingångstrycket vid P3 nivån (310). Trycket i kontrollkanalen (206) börjar även att falla vid tl (305), men med en betydligt lägre hastighet åskådliggjort som kurva (302), när trycket når nivån P4 (312) vid t4 (311) är differentialtrycket (313) så lågt att den normalt stängda ventilen (205) stänger igen varvid referenstrycket fryses till P3 (312). Vid tidpunkten t5 (314) går ingångstrycket långsamt ner till normalt omgivningstryck föjlt av kontrolltrycket (302) medan referenstrycket (304) förblir vid P3 (310) fram till nästa programmcykel.Now if the pressure drop is stopped at a predetermined level (setting value) for a period of time, the pressure in the reference volume (203) will be equal to the system pressure at (201). The open normally closed valve (205) will close again when the pressure in its own reference volume has been drained through the flow limiter (207). If the valve closes when the system pressure is still constant at the predetermined level, that pressure will be "locked" in the reference chamber (203). The next time a programming cycle, another reference pressure can be freely selected. The channel pressures as a function of time are given in Figure 3. At the beginning of the process, all the channel pressures, the channel pressure in channel (206) are given by curve (302), in channel (209) are given by curve (303), in channel (210) are given by curve (304) at the same high pressure P1 (301) At time t1 (305) the inlet pressure in channel (209) begins to fall at a good speed, when the pressure has dropped to P2 (306) at t2 (307) the differential pressure (308) ) so high that the normally closed valve (205) is forced to open and the pressure in duct (210), which is the reference pressure, will approach curve (303) so when the inlet pressure stops falling at t3, the reference pressure will very quickly become the same as the inlet pressure at The pressure in the control channel (206) also begins to fall at tl (305), but at a much lower speed illustrated as curve (302), when the pressure reaches the level P4 (312) at t4 (311) the differential pressure (313) so low that the normally closed valve (205) closes, freezing the reference pressure to P3 (312). At point t5 (314), the inlet pressure slowly decreases to normal ambient pressure followed by the control pressure (302), while the reference pressure (304) remains at P3 (310) until the next program cycle.

Det integrerade systemet kräver en trave av 4 eller 5 sammanfogade (bondade) brickor beroende på designen av den normalt stängda ventilen (205). Brickorna är troligen kisel men även andra material så som keramik eller metall kan användas. Figur 4 är en utvikt genomskärning genom en fem brickors trave. Uttrycket ”utvikt genomskärning” skall tolkas så att alla delar som finns i block schemat visas med sina anslutningar i ett plan, i verkligheten är delarna mycket mer sammanﬂätade i ett komplext 3-D 10 15 20 25 30 7 mönster, men genomskärningen ger en god bild var i traven en specifik del är lokaliserad. Systemet är helintegrerat och alla delar i komponenterna är samtillverkade i samma tillverkningsschema. Brickorn är nummrerade (400) till (404) från toppen till botten. Programmeringsingången (201) är mellan bricka (402) och (403), ﬂödesbegränsarstrukturen (407) som består av ett antal parallellkopplade ingångskanalen (209) går till ventiler (406), som tillsammans formar den aktiva ﬂödesbegränsaren (207) som presenteras vidare ner i texten. Kanalen (209) fortsätter till backventilen (204) och den normalt stängda ventilen (205). Till den normalt stängda ventilen är även matningskanal (206) ansluten. Utgångarna från (204) och (205) är anslutna till en kanal med en extra volym (210) mellan bricka (400) och (401), kanalen leder upp till referenstrycksutloppet (202) som är ansluten till referensvolymen (203) som är lokaliserad utanför bricktraven.The integrated system requires a stack of 4 or 5 joined (bonded) washers depending on the design of the normally closed valve (205). The tiles are probably silicon, but other materials such as ceramic or metal can also be used. Figure 4 is a folded section through a stack of five tiles. The expression "unfolded cross-section" should be interpreted so that all parts that are in the block diagram are shown with their connections in one plane, in reality the parts are much more together ﬂ joined in a complex 3-D 10 15 20 25 30 7 pattern, but the cross-section gives a good image was in the stack a specific part is located. The system is fully integrated and all parts of the components are co-manufactured in the same manufacturing schedule. The washers are numbered (400) to (404) from top to bottom. The programming input (201) is between washer (402) and (403), the fate limiter structure (407) consisting of a number of parallel connected input channel (209) goes to valves (406), which together form the active fate limiter (207) presented further down in the text. The channel (209) continues to the non-return valve (204) and the normally closed valve (205). The supply channel (206) is also connected to the normally closed valve. The outputs of (204) and (205) are connected to a channel with an additional volume (210) between washer (400) and (401), the channel leading up to the reference pressure outlet (202) which is connected to the reference volume (203) which is located outside the brick stack.

En genomskärning genom den utvalda ventil designen är avbildad i ﬁgur 5A, den kräver en fem brickors trave men är sannoligt mera robust och lättare att tillverka jämfört med den mer kompakta fyra brickors designen som visas i ﬁgur 5B. I ﬁgur 5A kommer inloppskanalen (209) in i systemet i ”bond interfacet” mellan bricka (402) OCH (403), kanalen leder till ovansidan av ett korrugerat membran (501), matningskanalen (206) fyller upp volymen (500) under membranet. Membranet har en central förstärkning (502) en pelare (503) är fogad till den centrala förstärkningen, pelaren lyfter ventillocket (505) när det korrugerade membranet buktar uppåt. Ventilsätet (504) har formen av en ring runt det stora hålet i bricka (402). Ventillocket (505) hålls i läge och pressas nedåt med relativt stor kraft med hjälp av en fjäderupphängning (506) i form av ett antal böjda balkar runt ventillocket.A cross-section through the selected valve design is depicted in Figure 5A, it requires a stack of five washers but is probably more robust and easier to manufacture compared to the more compact four washers design shown in Figure 5B. In Figure 5A, the inlet channel (209) enters the system in the bond bond between the washer (402) AND (403), the channel leads to the top of a corrugated membrane (501), the feed channel (206) fills the volume (500) below the membrane . The diaphragm has a central reinforcement (502) a pillar (503) is attached to the central reinforcement, the pillar lifts the valve cover (505) when the corrugated diaphragm curves upwards. The valve seat (504) has the shape of a ring around the large hole in the washer (402). The valve cover (505) is held in position and pressed downwards with relatively large force by means of a spring suspension (506) in the form of a number of curved beams around the valve cover.

Fjäderupphängningen är öppen för att förhindra att referenstrycket från att lyfta eller reducera kontakttrycket när ventillocket (505) ligger på Ventilsätet (504), det är viktigt att kontakttrycket är så högt som möjligt och att ventilsätes diametern är så liten som möjligt för att läcktät ventil.The spring suspension is open to prevent the reference pressure from lifting or reducing the contact pressure when the valve cover (505) is on the valve seat (504), it is important that the contact pressure is as high as possible and that the valve seat diameter is as small as possible to leak valve.

En genomskärning genom en annan typ av normalt stängd ventil ges i ﬁgur 5B. Denna ventiltyp kräver endast mickro bearbetning av två brickor (401) och (402) med ett täcklock på varje sida (400) och (403). Gasen som kommer in i systemet vid (510) mellan (401) och toplocket (400) fyller upp 10 15 20 25 30 8 volymen (511) runt en upphängd balk (512). Balken har en vridningspunkt (513) mellan sig själv och bricka (401) och är förspänd för att vila på ventilsätet (514) med högt kontakttryck. Den fria ändan av balken har en kontaktpunkt (515) just ovan centrum av aktuatormembranet (516). När gas strömmar in genom kontrllingången (517) buktar membranet uppåt på grund av det ökande trycket i volymen (518). Membranet trycker snart upp den fria ändan av balken så att ventilen öppnar och gas kan strömma från volymen (511) förbi ventilsätet (514) och ut genom utgången (519).A cross-section through another type of normally closed valve is given in Figure 5B. This valve type only requires micro-machining of two washers (401) and (402) with a cover on each side (400) and (403). The gas entering the system at (510) between (401) and the cylinder head (400) fills up the volume (511) around a suspended beam (512). The beam has a pivot point (513) between itself and washer (401) and is biased to rest on the valve seat (514) with high contact pressure. The free end of the beam has a contact point (515) just above the center of the actuator diaphragm (516). As gas flows in through the control inlet (517), the diaphragm bends upward due to the increasing pressure in the volume (518). The diaphragm soon pushes up the free end of the beam so that the valve opens and gas can flow from the volume (511) past the valve seat (514) and out through the outlet (519).

Membranet har en förstärkning (520) med en betydligt större diameter än diametern av den öppna ytan runt kontaktpunkten (521) och eftersom spelet (522) mellan membranet och bricka (401) är betydligt mindre än spelet (523) mellan balken och täcklocket (400) så kommer utböjningen att stoppas innan balken knäcks. Kvoten L1/L2 (524 / 525) ger den mekaniska förstärkningen av kraften som genereras av membranet och verkar på ventilsätet, detta medger mycket höga kontakttryck vilket i sin tur ger en lägre läckning.The diaphragm has a reinforcement (520) with a much larger diameter than the diameter of the open surface around the contact point (521) and because the clearance (522) between the diaphragm and washer (401) is considerably smaller than the clearance (523) between the beam and the cover (400 ) then the deflection will be stopped before the beam is broken. The ratio L1 / L2 (524/525) gives the mechanical reinforcement of the force generated by the diaphragm and acts on the valve seat, this allows very high contact pressures which in turn gives a lower leakage.

Högtrycksbackventilen (204) kan vara av en relativt konventionell design, en genomskärning ges i ﬁgur 6, Gasinloppskanael (600) är mellan bricka (403) och (404), den passerar genom ett hål i bricka (403) och fyller en kavitet (601) under ventillocket (603). När trycket blir högt nog lyfter ventillocket från ventilsätet (602) och gasen kan lämna ventilen genom utloppskanalen (605). Ventillocket (603) är upphängt i ett antal balkar (604) runt det samma, balkarna fungerar som fjädrar och är förspända för att ge ett högt kontakttryck, för att ge en läcktät ventil när den är stängd.The high pressure non-return valve (204) can be of a relatively conventional design, a cross-section is given in Figure 6, Gas inlet duct (600) is between washer (403) and (404), it passes through a hole in washer (403) and fills a cavity (601 ) under the valve cover (603). When the pressure becomes high enough, the valve cover lifts from the valve seat (602) and the gas can leave the valve through the outlet duct (605). The valve cover (603) is suspended in a number of beams (604) around the same, the beams act as springs and are prestressed to give a high contact pressure, to give a leak-tight valve when it is closed.

Ventillocks ytan innanför ventilsätet och fjäderförspänningen bestämmer öppningstrycket.The surface of the valve cover inside the valve seat and the spring bias determine the opening pressure.

Flödesbegränsaren (207) fyller en viktig function i systemet och måste designas med med stor nogrannhet för att ett mycket lågt men välbestämt ﬂödesmotstånd. De motstridiga kraven att hantera är att den ska vara relativt okänslig mot föroreningspartiklar samtidigt som ﬂödet skall vara lågt, det är inte fallet för en lång och mycket trång kanal. Problemet är löst med hjälp av ett antal ﬂödesbegränsningsceller kopplade i serie och parallellt i en matris, som det visas i figur 7. fördelen med en matris är att om några 10 15 20 25 30 få celler blir blockerade av partiklar så finns det alternativa vägar för gasen att klämma sig igenom ﬂödesbegränsaren som enhet. Konﬁgurationen som visas i ﬂgur 7 är symmetrisk, d. v. s. det är ingen skillnad om gas om gas kommer in i systemet via ingången (700) för att lämna via utgången (701) eller tvärtom. I exemplet består ﬂödesbegränsaren av 18 identiska celler, men kan vilken godtycklig storlek som helst, cellerna är ihopkopplade i ett nätverk (703) av grövre kanaler och har ﬂer parallellkopplade celler vid in och utgångarna. I varje individuell cell är en mycket lång och trång kanal (704) ihopvikt i ett givet mönster med en ingång och en utgång. Om kanal- bredden är lpm med 2 pm c-c mellan kanalerna så kommer 1 kvadratmillimeter cell yta rymma en 500 mm lång kanal. För att snabba upp programmerings tiden kan ﬂödesbegränsaren göras osymmetrisk, med andra ord är ﬂödesmotståndet mycket lägre i en riktning jämfört med den andra, detta betyder att den normalt stängda ventilen kan trycksättas snabbt, men hållas öppen under en längre tid. Ett praktiskt sätt att skapa ett osymetriskt utförande är att använda ett ﬂexibelt membran som tak över varje cell, så när trycket över en cell ökar så buktar membranet uppåt och öppnar upp nya ﬂödesvägar från en cirkulär kanal till en närliggande nerströms hela vägen till utgångskanalen. En sådan typ av ﬂödesbegränsare visas i ñgur 8.Blockschemat på hög nivå är det samma som för den passiva ﬂödesbegränsaren med skillnaden att alla celler har blivit utbytta mot aktiva dito. Den ända högnivåskillnaden är att ﬂödesriktningen är förutbestämd, så det är ingen ökning av antalet celler på utgångssidan, matrisen får en mer pyramidformat utseende. Gasen till en speciell cell kommer från upströms celler nära den aktuella cellen genom nåtverkskanalerna (703), dessa är relativt stora och ger inget ﬂödesmotstånd jämfört med cellerna. I cellen går gasen via en kanal (800) i bricka (404) till centrum av ett cirkulårt fram och tillbaka mönster (802) som den strömmar igenom när gasen lämnar mönstret passerar den ett litet hål (803) i membranet (804) lokaliserat i bricka (403) nära slutet av det cirkulära mönstret innan den lämnar cellen via utgångskanalen (801), som leder till nästa nätverkskanal (703). När differentialtrycket mellan volymen (805) och det cirkulära mönstret under membranet börjar att byggas upp börjar membranet att bukta uppåt med lO 15 20 25 10 start i centrum och så fort som det rör sig uppåt öppnas en genväg för gas nära ingången till nästa církulära spår nedströms. Om gasen strömmar åt andra hållet så fylls kaviteten (805) genom hålet (803) varvid ingen utbuktning sker och innen gen våg skapas.En lokal central förstärkning hindrar membranet från att sprängas om differentialtrycket blir för högt.The flow restrictor (207) fulfills an important function in the system and must be designed with great care in order to achieve a very low but well-determined ﬂ resistance. The conflicting requirements to handle are that it should be relatively insensitive to pollutant particles while the fate should be low, this is not the case for a long and very narrow channel. The problem is solved by means of a number of ﬂ fate limiting cells connected in series and in parallel in a matrix, as shown in figure 7. the advantage of a matrix is that if a few cells are blocked by particles then there are alternative ways for the gas to squeeze through the fate limiter as a unit. The configuration shown in Figure 7 is symmetrical, i.e. there is no difference between gas if gas enters the system via the inlet (700) to leave via the outlet (701) or vice versa. In the example, the fate limiter consists of 18 identical cells, but can be of any size, the cells are interconnected in a network (703) of coarser channels and have parallel cells at the inputs and outputs. In each individual cell, a very long and narrow channel (704) is folded in a given pattern with an input and an output. If the channel width is lpm with 2 pm c-c between the channels, then 1 square millimeter of cell space will accommodate a 500 mm long channel. To speed up the programming time, the fate limiter can be made asymmetrical, in other words, the fate resistance is much lower in one direction compared to the other, this means that the normally closed valve can be pressurized quickly, but kept open for a longer time. A practical way to create an asymmetrical design is to use an ﬂexable membrane as a roof over each cell, so as the pressure over a cell increases, the membrane curves upwards and opens up new ﬂ pathways of fate from a circular channel to a nearby downstream all the way to the exit channel. Such a type of fate limiter is shown in ñgur 8. The high-level block diagram is the same as for the passive death limiter, with the difference that all cells have been replaced by active ditto. The only high level difference is that the direction of fate is predetermined, so there is no increase in the number of cells on the output side, the matrix gets a more pyramid-shaped appearance. The gas to a particular cell comes from upstream cells near the cell in question through the network channels (703), these are relatively large and do not provide a ﬂ resistance resistance compared to the cells. In the cell, the gas passes through a channel (800) in the washer (404) to the center of a circular pattern (802) which it flows through as the gas leaves the pattern, it passes a small hole (803) in the membrane (804) located in tray (403) near the end of the circular pattern before leaving the cell via the output channel (801), which leads to the next network channel (703). When the differential pressure between the volume (805) and the circular pattern under the diaphragm begins to build up, the diaphragm begins to meander upwards with 10 start in the center and as soon as it moves upwards a shortcut for gas opens near the entrance to the next circular groove downstream. If the gas flows in the other direction, the cavity (805) is filled through the hole (803) whereby no bulge occurs and within no wave is created. A local central reinforcement prevents the diaphragm from bursting if the differential pressure becomes too high.

Förstärkningen stänger gapet (807) mellan den samma och bricka (402). Vyn i (808) är en top vy genom bricka (403) om den är genomskinlig ner till mönstret i bricka (404).The reinforcement closes the gap (807) between the same and the washer (402). The view in (808) is a top view through the tray (403) if it is transparent down to the pattern in the tray (404).

Claims

1. 0 15 20 25 30 11 PATENT REQUIREMENTS What is required is the following: Requirement 1. A method for changing / updating a reference pressure In a very small closed volume characterized by the use of a micromechanical microsystem, the system responds to the gas pressure at a control input ( 201) to fill or empty the reference chamber (203). The microsystem functions as a mechanical memory that freezes the pressure in the reference chamber at a predetermined level, if the control pressure is raised to a level ﬂ times higher than the normal operating pressure for a period of time and then lowered at a certain speed, the microsystem is set to "lock mode", i.e. the pressure in the reference chamber follows the control pressure, when then the pressure drop is stopped and the control pressure is kept constant for a period of time, the connection to the reference chamber is broken and the pressure in it is locked at a constant level until the next programming cycle. Requirement

An integrated microsystem with three components in close cooperation a pressure-controlled normally closed valve (205) between the control inlet (201) and the supply channel (210) to the reference cavity, the valve is controlled by the pressure in a combined channel / reference volume (206), a very effective (207) connected between said channel and and the control pressure inlet (201), a non-return valve (204), with the direction of destiny towards the supply channel (210) is connected in parallel over said pressure controlled valve (205). The system is characterized by a) the normally closed pressure controlled valve (205) has a high contact pressure between the valve seat and the valve cover for a minimal leakage. The contact pressure is determined by a strong spring suspension (506) and a valve seat (504) with a minimal area. b) the non-return valve (204) has an unusually high opening pressure, through a mechanical spring preload,, rea times higher than expected maximum working pressure in combination with a very small valve seat surface, in order to be as leak-tight as possible. c) The flow restrictor (207) is asymmetric with a much lower des fate resistance in the fate direction towards the valve (205) than from it. d) All components are integrated in the same micromechanical "chip", a "chip" that allows a controlled change / update of a reference pressure in an external closed volume (203) by using a pressure versus time proñl at a control port (201). Requirement

A method according to claim 2, characterized in that all subsystems including the reference volume are co-manufactured in the same process diagram. Requirement

A system according to claim 2, characterized in that said normally closed valve is pressure activated by the use of a pressure-sensitive corrugated membrane, in order to obtain a maximum pressure resistance for a given diameter of the membrane. Requirement

A system according to claim 4, characterized in that said normally closed valve has such a high contact pressure when closed, that a mechanical amplification of the actuator force must be used to overcome the contact pressure and open the valve.

6. A system. according to claim 5, characterized in that said mechanical reinforcement is obtained by the use of an inner lever (512), i.e. a beam fixed in a suspension point. Requirement

A system according to claim 4, characterized in that said membrane (516) is explosion-proof by the use of a membrane reinforcement (521) in the plane where the membrane meets a flat surface in the base material. Requirement

A system according to claim 2, characterized in that said fate limiter consists of two or more cells in a matrix, each cell consists of two elements a long narrow channel (802) and a simple non-return valve (804) which makes the cell asymmetrical, i.e. the fate resistance depends to a large extent on the flow direction through the cell. 10 15 20 25 13 Requirements

A system according to claim 8, characterized in that said two elements are integrated into a unit by making a wall in the narrow channel ibel visible and pressure sensitive so that a shortcut opens up in the ﬂ path of fate which lowers the ﬂ resistance of high pressures over the b limiter.