[go: up one dir, main page]

SE536813C2 - Integrated pressure programmable reference pressure device - Google Patents

Integrated pressure programmable reference pressure device Download PDF

Info

Publication number
SE536813C2
SE536813C2 SE1000299A SE1000299A SE536813C2 SE 536813 C2 SE536813 C2 SE 536813C2 SE 1000299 A SE1000299 A SE 1000299A SE 1000299 A SE1000299 A SE 1000299A SE 536813 C2 SE536813 C2 SE 536813C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
pressure
valve
flow
channel
microsystems
Prior art date
Application number
SE1000299A
Other languages
Swedish (sv)
Other versions
SE1000299A1 (en
Inventor
Lars Stenmark
Original Assignee
Månbas Alpha Ab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Månbas Alpha Ab filed Critical Månbas Alpha Ab
Priority to SE1000299A priority Critical patent/SE536813C2/en
Publication of SE1000299A1 publication Critical patent/SE1000299A1/en
Publication of SE536813C2 publication Critical patent/SE536813C2/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15CFLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
    • F15C5/00Manufacture of fluid circuit elements; Manufacture of assemblages of such elements integrated circuits
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001Microvalves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0007Fluidic connecting means

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Control Of Fluid Pressure (AREA)

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

25 30 536 813 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. 536 813 stored is large, large, heavy and awkward bottles 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. However, in order to handle large flows with small microsystems, it is required that the microsystems are autonomous but can cooperate 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 Makrosfår kan ändras eller harmoniseras varje gång sfärerna återfylls.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 25 536 813 inte som en del av uppfinningen, eftersom filtrering år 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, since 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 SB är en genomskårning 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 SB 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 genomskårning 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 mikromekanískt system gör mekanisk justering eller ñntrimmning mycket 10 15 20 25 30 536 813 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 cumbersome, 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).The invention is a programmable device, which uses a control pressure versus time profile 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 together against a main substrate (10 1).

Sensorn använder en uppsättning trådtöjningsgivare (104) monterade på toppen av ett membran (103).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 bibehället. 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 ñgur 1B. 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 lO 15 20 25 30 536 813 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 (1 1 1) börjar membranet bukta ner och så fort vätskan kan passera ventilsätet ökar trycket ytterligare och ventilen öppnar med en lavíneffekt.Another example is a normally closed pressure-controlled bistable valve. A section through such a valve is given in Figure 1B. The valve type is used to control flow sequences in fluidic 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 via 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. then 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 (1 1 1) 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 bränsletryck 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, which 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,Vätgas,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, Hydrogen, 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 läcktät 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 när 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 läcktät. Ventilen har en egen liten referenstryckskammare ansluten till kontrollingången (206), när systemtrycket gär 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 30 536 813 differentialtrycket blir stort nog så öppnar ventilen vilket resulterar i ett massflöde från referenskarnmaren (203) till programmeringsingången (201).A block diagram of the device is given in Figure 2. The device consists of two valves and a flow restrictor 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-tight 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 flow 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 flow restrictor (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 input (208) than at the control input (206) when the differential pressure becomes large enough that the valve opens, resulting in a mass från from the reference arm (203) to the programming input. (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 the 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 velocity illustrated as curve (302), when the pressure reaches the level P4 (312) at t4 (311) the differential pressure is (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 the 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 30 536 813 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 år 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 term “unfolded cross-section” should be interpreted so that all parts present in the block diagram are shown with their connections in one plane, in reality the parts are much more joined in a complex 3-D 10 15 20 25 30 536 813 pattern, but the cross-section gives a good picture 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 channels (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 fórstärkningen, 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 duct (209) enters the system in the "bond interface" between washer (402) AND (403), the duct leads to the top of a corrugated diaphragm (501), the supply duct (206) fills up the volume (500) below the diaphragm . The diaphragm has a central reinforcement (502) a pillar (503) is attached to the central lining 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.

Fjåderupphängningen är Öppen för att förhindra att referenstrycket från att lyfta eller reducera kontakttrycket när ventillocket (505) ligger på ventilsåtet (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) rests 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 genomskårning 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 30 536 813 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 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 Ll/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, balkama 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. The 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.

Ventíllocks ytan innanför ventilsätet och ijäderförspänningen bestämmer öppningstrycket.The valve cover surface 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 30 536 813 få celler blir blockerade av partiklar så finns det alternativa vägar för gasen att klämma sig igenom flödesbegränsaren som enhet. Konfigurationen som visas i figur 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 år 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 figur 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 år ingen ökning av antalet celler på utgångssidan, matrisen får en mer pyrarnidformat utseende. Gasen till en speciell cell kommer från upströms celler nära den aktuella cellen genom nätverkskanalerna (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 cirkulärt 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 10 15 20 25 536 813 start i centrum och så fort som det rör sig uppåt öppnas en genväg för gas nära ingången till nästa cirkulåra spår nedströms. Om gasen strömmar åt andra hållet så fylls kaviteten (805) genom hålet (803) varvid ingen utbuktning sker och innen gen våg skapasEn lokal central förstärkning hindrar membranet från att språngas 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 flow 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 flow restriction 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, there are alternative ways for the gas to squeeze through the fl limiter as a unit. The configuration shown in Figure 7 is symmetrical, i.e. there is no difference of 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 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 flow limiter is shown in Figure 8. The high level block diagram is the same as for the passive fate limiter with the difference that all cells have been replaced by active ditto. The only high level difference is that the fl direction of fate is predetermined, so there is no increase in the number of cells on the output side, the matrix gets a more pyranide-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 provide no flow 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) through which it flows as the gas leaves the pattern, passing through 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 below the diaphragm begins to build up, the diaphragm begins to bend upwards with the start in the center and as soon as it moves upwards a shortcut for gas opens near the entrance to the next circular track downstream. If the gas flows in the other direction, the cavity (805) is filled through the hole (803), whereby no bulging takes place and within a wave wave a local central reinforcement is created to prevent the membrane from bursting if the differential pressure becomes too high.

Förstårkningen stänger gapet (807) mellan den samma och bricka (402). Vyn i (808) är en top vy genom bricka (403) om den år genomskinlig ner till mönstret i bricka (404). 10The gain 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). 10

Claims (9)

What is claimed is:
1. Claim 1. A method for change/ update of a reference pressure in a verysmall closed volume characterized by the use of a micro mechanical microsystem, the system reacts on the control pressure inlet (201) to fill or drainthe reference chamber (203). The micro system acts as a mechanical memoryto freeze the pressure in the reference chamber at a desired level, if thecontrol pressure is raised to a level several times higher than normaloperational pressure for a time period and then decreased with a certain ratethe micro system will be in a read mode, i. e. the pressure in the referencechamber will follow the control pressure, if then the control pressuredecrease is stopped and held constant at a certain level for a time period willthe connection to the reference chamber be disconnected and the pressure in the same will remain at a fixed value for future use.
2. Claim 2. An integrated micro mechanical system with three componentsworking in symbiosis, a pressure controlled normally closed valve (205)between the control pressure inlet (201) and the feed channel (210) to thereference cavity, the valve is controlled by the pressure in a combinedchannel/ reference volume (206), a very efficient flow restrictor (207) isconnected between said channel and the control pressure inlet (201) a checkvalve , with the flow direction towards the feed channel (210) is parallelconnected across the pressure controlled valve (205). The system is characterized by a. The pressure controlled normally closed valve (205) has a highcontact pressure between the valve seat and the valve capcombined with a very small flow capacity in order to have aminimal leakage problem. The contact pressure is determinated bya strong suspension spring (506) and a significant higher pressure than the expected maximum Operating pressure. 12 vER. 4 b. The Check valve (204) with an unusual high crack openingpressure, due to high mechanical preloading, several times themaximum operational pressure,in combination with a very small valve seat area, in order to be as leak tight as possible. c. The flow restrictor (207) is asymmetrical with a much lower flowresistance in the flow direction towards the valve (205) than from the valve. d. all components are integrated in the same micromechanical chip,enabling a controlled change /update of a reference pressure in aclosed volume by use of a pressure versus time profile at the control port (201).
3. Claim 3. A method according to claim 2 characterized by that allsubsystems including the reference volume are co-processed in the same manufacturing scheme.
4. Claim 4. A system according to claim 2, characterized in that saidnormally closed valve is pressure activated by use of a pressure sensitivedeflecting corrugated membrane, in order to have a maximum pressure resistance for a given diameter of the membrane.
5. Claim 5. A system according to claim 4, characterized in that saidnormally closed valve has a high contact pressure when closed, amechanical amplification of the actuator force must be used to overcome the contact pressure and open the valve.
6. Claim 6 A system according to claim 5, characterized in that saidmechanical amplification is provided by use of an internal lever (512) i.e. a beam fixed in one flexure point.
7. Claim 7. A system according to claim 4, characterized in that saidpressure sensitive membrane (516) is burst protected by use of a membraneembossment (521) in plane with the membrane meeting a flat surface on the bulk material.
8. Claim 8. A system according to claim 2, characterized in that said flow restrictor consists of one or several cells in a matrix, each cell consists of two 13 vER. 4 elements, a narrow long channel (802) and a simple check valve (804),making it unsymmetrical, i. e. the flow resistance is highly depending on the flow direction through the flow restrictor.
9. Claim 9. A system according to claim 8, characterized in that said twoelements are integrated in one unit by making one of the walls in the narrowchannel flexible and pressure sensitive opening up a short circuit in the flow path lowering the flow resistance When exposed for high flow pressure
SE1000299A 2010-03-30 2010-03-30 Integrated pressure programmable reference pressure device SE536813C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE1000299A SE536813C2 (en) 2010-03-30 2010-03-30 Integrated pressure programmable reference pressure device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE1000299A SE536813C2 (en) 2010-03-30 2010-03-30 Integrated pressure programmable reference pressure device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SE1000299A1 SE1000299A1 (en) 2011-10-01
SE536813C2 true SE536813C2 (en) 2014-09-16

Family

ID=44840575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE1000299A SE536813C2 (en) 2010-03-30 2010-03-30 Integrated pressure programmable reference pressure device

Country Status (1)

Country Link
SE (1) SE536813C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
SE1000299A1 (en) 2011-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102210858B1 (en) Fluid control valve
Henning et al. Microfluidic MEMS for semiconductor processing
EP2163872B1 (en) Pressure sensor, differential pressure flowmeter, and flow rate controller
US11073846B2 (en) Mass flow controller with absolute and differential pressure transducer
US6182688B1 (en) Autonomous device for limiting the rate of flow of a fluid through a pipe, and fuel circuit for an aircraft comprising such a device
US20030146401A1 (en) Two-stage valve suitable as high-flow high-pressure microvalve
Henning Microfluidic mems
US20070251592A1 (en) Microfluidic valve structure
CN100396979C (en) Constant flow valve
US6557820B2 (en) Two-stage valve suitable as high-flow high-pressure microvalve
WO2016013172A1 (en) Pressure-type flow rate control device
KR20260002964A (en) Microvalves and mass flow meters applied thereto
US5983926A (en) Flow control valve
CN105473854B (en) Fluid for being worked in vacuum system operates the trigger valve of machine
Lee et al. Fabrication, characterization, and computational modeling of a piezoelectrically actuated microvalve for liquid flow control
SE536813C2 (en) Integrated pressure programmable reference pressure device
Henning et al. Performance of MEMS-based gas distribution and control systems for semiconductor processing
Debray et al. A passive micro gas regulator for hydrogen flow control
US3024803A (en) Regulator valve
JP6440153B1 (en) Pressure detection type check valve
Galambos et al. Passive mems valves with preset operating pressures for microgas analyzer
Wroblewski et al. MEMS micro-valve arrays for fluidic control
Haasl et al. Out-of-plane knife-gate microvalves for controlling large gas flows
Jiang et al. Flow behavior through microfluidic valves
CN223498814U (en) Pressure reducing valve