SE536813C2 - Integrerad tryckprogramerbar referenstrycksanordning - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

KORT BESKRIVNING AV FIGURERNA Figur 1 visar på några applikationsområden för anordningen.

Figur 2 är ett system block schema.

Figur 3 är ett diagram för olika tryck mot tidkurvor vid programmering.

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.

Figur 6 är en genomskärning genom en typisk backventil.

Figur 7 är en illustration av en passiv flödesbegränsare.

Figur 8 är en genomskårning genom en aktiv osymmetrisk flödesbegränsare.

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.

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).

Membranet buktar upp eller ner beroende på differentialtrycket mellan referenskaviteten (102) och det applicerade yttre trycket (115) på sensorn.

Utbuktningen kan användas för att mäta det absoluta värdet på det applicerade yttre trycket förutsatt att referenskammartrycket är väl känt.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

Ventíllocks ytan innanför ventilsätet och ijäderförspänningen bestämmer öppningstrycket.

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.

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). 10

Claims (9)

1. 0 15 25 30 536 813 PATENTKRAV Krav 1. En metod för ändring/ uppdatering av ett referenstryck i en stängd volym kännetecknad av ett mikromekaniskt mikrosystem, systemet reagerar på gastrycket vid en kontrollingång (201) för att fylla eller tömma en referenskammare (203). Míkrosystemet fungerar som ett mekaniskt minne som fryser trycket i referenskammaren på en förutbestämd nivå, om kontrolltrycket höjs till en nivå flera gånger högre än det normala operationstrycket för en tidsperiod för att sedan sänkas med en viss hastighet så ställs mikrosystemet i ”läsmode”, d.v.s. trycket i referenskammaren följer kontrolltrycket, när sedan tryckminskningen stoppas och kontrolltrycket hålls konstant för en tidsperiod bryts förbindelsen till referenskammare och trycket i densamma hålls konstant fram tills nästa programmeringscykel. Krav

2. Ett integrerat mikrosystem med tre komponenter i nära samarbete en tryckstyrd normalt stängd ventil (205) mellan en kontrollingång (201) och en matningskanal (210) till en referenskavitet, ventilen styrs av trycket i en kombinerad kanal/referensvolym (206), en (207) kopplad mellan kontrolltrycksingången (201), en backventil (???), med flödesriktníngen mot flödesbegränsare nämnda kanal och matningskanalen (210) är parallellkopplad över nämnda tryckstyrda ventil (205). Systemet kännetecknas av a) den normalt stängda tryckstyrda ventilen (205) har ett högt kontakttryck mellan ventilsätet och ventillocket för en minimal läckning. Kontakttrycket bestäms av en fjäderupphängning (506) och ett ventilsäte (504) med en minimal area. b) backventilen (204) har ett högt öppningstryck, genom en mekanisk fjäderförspänníng, flera gånger högre än förväntat maximalt arbetstryck i kombination med en ventilsåtesyta, för att vara så läcktät som möjligt. 11 10 15 25 30 536 813 c) Flödesbegränsaren (207) är assymetrisk med ett lägre flödesmotstånd i flödesrikningen mot ventilen (205) än frän densamma. d) Samtliga komponenter är integrerade i samma mikromekaniska ”chip”, ett ”chip” Krav

3. Ett system enligt krav 2 kännetecknad av att alla subsystem inclusive referensvolymen är samtillverkade i samma proeesschema. Krav

4. Ett system enligt krav 2 kännetecknat av att nämnda normalt stängda ventil är tryckaktiverad genom användandet av ett tryckkänsligt korrugerat membran, för att erhålla en maximal trycktälighet för en given diameter pä membranet. Krav

5. Ett system enligt krav 4, kännetecknat av att nämnda normalt stängda ventil har ett sä högt kontakttryck när den är stängd, sä att en mekanisk förstärkning av aktuator kraften mäste användas för att överkomma kontakttrycket och öppna ventilen.. Krav

6. Ett system enligt krav 5 kännetecknat av att nämnda mekaniska förstärkning erhålles genom användandet av en inre hävstäng (512) d.v.s. en balk fixerad i en upphängningspunkt. Krav

7. Ett system enligt krav 4 kännetecknat av att nämnda membran (516) är sprängskyddat genom användandet av en membranförstärkning (521) i planet där membranet möter en plan yta i basmaterialet. Krav

8. Ett system enligt krav 2, kännetecknat av att nämda flödesbegränsare består av tvä eller fler celler i en matris, varje cell består av tvä element en läng smal kanal (802) och en backventil (804) som gör cellen osymmetrisk, d. v. s. flödesmotständet beror i hög grad pä flödesrikningen genom cellen. Krav

9. Ett system enligt krav 8, kännetecknat av att nämnda tvä element är integrerade till en enhet genom att göra en vägg i den smala kanalen flexibel och tryckkänslig så att en genväg öppnas upp i flödesvägen som sänker flödesmotståndet för höga tryck över flödesbegränsaren. 12