Microválvula con labio de válvula elásticamente deformable, procedimiento de fabricación y microbomba.

Procedimiento para la fabricación de una microvalvula con las etapas siguientes:

configuración de un primer (112) y un segundo sustrato (114);

configuración de al menos una primera y una segunda abertura de paso (102, 104) en el segundo y/o primer sustrato (112,114);

aplicación y estructuración de una estructura obturadora de silicone (110, 111) elasticamente deformable mediante recubrimiento por centrifugación y estructuración fotolitografica de una capa de silicona sobre el primer sustrato y/o sobre el segundo sustrato (112, 114) para la configuración de al menos un labio de valvula (110), en el que el labio de valvula este configurado de modo que rodea circunferencialmente de forma estanca la abertura de paso (102, 104), reunión del primer y segundo sustrato (112, 114) de modo que el al menos un labio de valvula (110) obtura la al menos una primera y/o segunda abertura de paso (102, 104) en una posición cerrada y los sustratos configuran un recorrido de paso de fluido controlable.

Microválvula con labio de válvula elásticamente deformable, procedimiento de fabricación y microbomba

La presente invención se refiere a una microválvula que está formada por dos sustratos conectados de forma fija y presenta preferentemente un elemento actuador, por ejemplo, accionado por membrana para la abertura y cierre controlado de un primer y/o segundo paso. Además, la presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación para una microválvula semejante, así como un microbomba que usa al menos una microválvula de este tipo. Esta microbomba se debe usar en particular en relación con el desarrollo de un músculo hidráulico (por ejemplo, músculo de cierre) para el tratamiento de la incontinencia de orina, fecal o disfunción eréctil.

Durante los últimos 2 años se han desarrollado una multiplicidad de tipos de microválvulas diferentes en el campo de la microfluídica, según se desprende, por ejemplo, del artículo resumen Oh, K. W et al.: A review of micro valves, Journal of Micromechanics and Microengineering, 16(26), R13 - R39. En general las microválvulas se pueden dividir en válvulas activas y pasivas, siendo unidireccional una válvula pasiva, dado que el estado de la válvula pasiva depende de la diferencia de presión aplicada. Si la presión en la salida es mayor que en la entrada, entonces una válvula pasiva bloquea. Si la presión en la salida es más baja que en la entrada, entonces la válvula permite una circulación. Las así denominadas válvulas de difusor y boquilla son una forma de realización alternativa, las cuales presentan una circulación esencialmente mayor en la dirección de paso que en la dirección de bloqueo. Las válvulas activas se pueden abrir y cerrar por el contrario independientemente de la presión de entrada y salida. Esto se efectúa en general mediante un control electrónico, por ejemplo, a través de accionamientos piezoeléctricos o electromagnéticos. En el caso de válvulas activas existe básicamente la posibilidad de posibilitar una circulación en las dos direcciones. Debido a esta bidireccionalidad la entrada y salida ya no están definidas estáticamente, sino que dependen del estado de funcionamiento de la válvula.

En muchas válvulas activas se desvía una membrana para abrir o cerrar la válvula. En este caso se usan una multiplicidad de principios de actuación. Además, en el caso de válvulas activas se puede diferenciar entre válvulas normalmente abiertas, normalmente cerradas y biestables. Válvulas biestables son aquellas válvulas que presentan dos estados estables y aúnan las propiedades de las válvulas normalmente abiertas y normalmente cerradas.

Las microválvulas se pueden aplicar en una multiplicidad de aplicaciones distintas, como por ejemplo la microdosificación, liberación de medicamentos, bioanalítica o en el así denominado Micro total analysis systems (pTAS), que realizan de forma automatizada todas las etapas necesarias para el análisis químico de una sustancia.

La presente invención no se limita básicamente ni al tipo de válvula ni a la aplicación, pero a continuación se debe mostrar a modo de ejemplo para una válvula activa normalmente cerrada como se puede aplicar para un así denominado artificial sphincter system, una prótesis muscular médica de cierre. Las microválvulas y microbombas conocidas, según se desprenden por ejemplo del documento DE 1 25 38 483 B3, poseen dos sustratos reunidos con aberturas de paso y labios de válvula correspondientes, que rodean las aberturas de paso y sirven para el cierre y abertura mediante el accionamiento de la zona de membrana, que se destacan por técnicas de grabado micromecánicas como salientes del material de sustrato. No obstante, se ha mostrado que, en el caso de microválvulas semejantes, la incidencia repetida de la membrana sobre el asiento de válvula proporcionalmente duro puede conducir a un deterioro permanente del asiento de válvula. Con el transcurso del tiempo, debido a una estanqueidad decreciente esto provoca un fallo irreparable del sistema. Pero en particular para microsistemas implantables, como la prótesis muscular de cierre, es esencial un tiempo de funcionamiento sin mantenimiento lo más largo posible.

El documento DE 196 37 928 A1 se refiere a un dispositivo actuador de membrana para microbombas, microinterruptores o microválvulas con dos zonas de conmutación desviadas en sentido opuesto. Estas zonas de conmutación se forman por membranas delgadas, por ejemplo, de silicio. El asiento de válvula, que se obtura por una de las dos zonas de membrana, se compone esencialmente de un chip de silicio. En particular el dispositivo de microactivación biestable dado a conocer en este documento posee una membrana global ampliamente flexible, pero preformada por tensiones mecánicas internas, que libera o bloquea un camino de fluido entre los chips de silicio 8 y 9.

El documento US 6,736,37 B1 se refiere a una válvula de control de fluido integrada, que maneja los líquidos de proceso en relación con una elaboración de semiconductores. En una zona humedecida de la válvula entran los fluidos del proceso a través de una o varias aberturas de entrada y salen de nuevo a través de un asiento de válvula anular metálico. En la zona de funcionamiento de la válvula está previsto un cilindro deslizante, que posee un elemento horizontal superior y uno inferior y que se mueve desde arriba hacia abajo. El elemento horizontal inferior prensa una membrana contra el asiento de válvula para cerrar la válvula y se mueve alejándose del asiento de válvula para posibilitar un flujo de fluido a través de la válvula. Se presiona un resorte sobre el elemento horizontal superior del cilindro mientras que se ejerce una presión neumática controlada en el fondo del elemento horizontal inferior. El equilibrio entre la fuerza de resorte y la fuerza de la presión neumática determina la dimensión de la abertura de la válvula.

Del artículo Masayoshl Esashl et al.; Normally Closed Mlcrovalve and Micropump Fabrlcated on a Silicon Wafer"; Sensors and Actuators, 2, 1989, pág. 163 - 169, se conoce una microválvula normalmente cerrada y una microbomba que está fabricada de una oblea de silicio mediante la mlcrotécnlca. Una membrana de silicio móvil con un actuador piezoeléctrico mueve un asiento de válvula que se presiona contra una estructura de vidrio. El asiento de válvula es según las realizaciones respecto a la fabricación de estas microestructuras de silicio con una capa de monóxldo de silicio con grosor de un micrómetro.

La presente invención se basa por ello en la idea de prever un labio de válvula elásticamente deformable en el caso de una válvula fabricada con un procedimiento técnico de mlcrosistemas para la obturación de al menos una de las aberturas de paso. Con un labio de válvula elásticamente deformable de este tipo se puede prevenir, por un lado, un desgaste excesivo de las materiales durante el funcionamiento y, por otro lado, mediante la compensación de desigualdades del sustrato o adaptación flexible a las tolerancias de la estructuración se puede generar una estanqueidad esencialmente mejorada de la válvula en el estado cerrado.

Como material para un labio de válvula semejante viene al caso de manera ventajosa un polímero que tiene un módulo de elasticidad de como máximo aproximadamente 5 MPa, a fin de garantizar una deformabilidad y amortiguación suficientes. El labio de válvula se fabrica en una pieza de este material polimérico, según la invención en una única etapa de fotolitografía. Aunque también se pueden usar otros materiales con la elasticidad requerida, una silicona fotoestructurable directamente con un módulo de elasticidad de aproximadamente 16 MPa representa un material obturador muy apropiado.

Según una forma de realización ventajosa, el labio de válvula está en una posición cerrada bajo pretensión mecánica. Mediante la presión de apriete generada por ello y la deformación elástica generada con ello del labio obturador se puede garantizar una obturación especialmente segura.

Según una forma de realización ventajosa, la microválvula según la invención es una válvula activa y presenta al menos un elemento actuador para la abertura y cierre controlados del primer y/o segundo paso. Válvulas activas semejantes ofrecen, según ya se ha mencionado, la ventaja de que son bidireccionales y se pueden usar, por ejemplo, para la realización de una microbomba bidlrecclonal. Pero evidentemente para un especialista queda claro que los principios según la invención se pueden aplicar igualmente para una válvula pasiva.

Para aplicaciones distintas es necesario que una microválvula quede en el estado cerrado sin gasto de energía y sólo se deba actuar para la abertura. Válvulas... [Seguir leyendo]

1Procedimiento para la fabricación de una microválvula con las etapas siguientes: configuración de un primer (112) y un segundo sustrato (114);

configuración de al menos una primera y una segunda abertura de paso (12, 14) en el segundo y/o primer sustrato (112,114);

aplicación y estructuración de una estructura obturadora de silicona (11, 111) elásticamente deformable mediante recubrimiento por centrifugación y estructuración fotolitográfica de una capa de silicona sobre el primer sustrato y/o sobre el segundo sustrato (112, 114) para la configuración de al menos un labio de válvula (11), en el que el labio de válvula está configurado de modo que rodea circunferencialmente de forma estanca la abertura de paso (12,14),

reunión del primer y segundo sustrato (112, 114) de modo que el al menos un labio de válvula (11) obtura la al menos una primera y/o segunda abertura de paso (12, 14) en una posición cerrada y los sustratos configuran un recorrido de paso de fluido controlable.

2.- Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la estructura obturadora presenta además una estructura obturadora (111) sellante para el sellado de una zona de conexión entre el primer sustrato (112) y el segundo sustrato (114).

3.- Procedimiento según la reivindicación 2, en el que la estructura obturadora (111) sellante se configura en una pieza de modo que rodea circunferencialmente de forma estanca una cámara de válvula.

4.- Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3, en el que la estructura obturadora (111) sellante se configura en una pieza, de modo que limita circunferencialmente de forma estanca una zona marginal exterior de la microválvula.

5.- Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el labio de válvula está configurado en varias piezas y presenta una multiplicidad de elementos obturadores (132) dispuestos decalados, de tipo columna, que en el estado no cargado mecánicamente configuran caminos de paso con pequeña resistencia fluídica y en el estado cargado mecánicamente bloquean el camino del fluido por una resistencia fluídica muy aumentada.

6.- Procedimiento según la reivindicación 5, en el que un primer número de elementos obturadores (132) se dispone en el primer sustrato y un segundo número de elementos obturadores (132) en el segundo sustrato.

7 - Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que en la primera etapa de la reunión del primer y segundo sustrato sobre el labio de válvula se ejerce una presión mecánica en la dirección de la reunión, de modo que el labio de válvula se deforma en el caso de válvula cerrada para formar una microválvula normalmente cerrada.

8.- Procedimiento según la reivindicación 7, en el que antes de la etapa de la reunión del primer y segundo sustrato sobre al menos uno de los dos sustratos se aplica una capa de unión, cuyo espesor de capa ajusta al menos parcialmente un grado de la deformación del labio de válvula en la posición cerrada.

9.- Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, en el que antes de la etapa de la reunión del primer y segundo sustrato en al menos uno de los dos sustratos se incorpora una depresión, cuya profundidad ajusta al menos parcialmente un grado de la deformación del labio de válvula en la posición cerrada.

1.- Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que en la etapa de la configuración de un primer y un segundo sustrato sobre el segundo o el primer sustrato se fabrica una membrana como parte de un elemento actuador.

11.- Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la membrana se desvía antes de la puesta en funcionamiento de la microválvula, de modo que el labio de válvula está deformado en una posición de reposo del elemento actuador para formar una microválvula normalmente cerrada.

12 - Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 u 11, que comprende además la etapa: provisión de un actuador piezoeléctrico para la actuación de la membrana.

13.- Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el elemento actuador presenta un actuador piezoeléctrico o electromagnético con comportamiento de hlstéresis.

14.- Microválvula con un primer sustrato (112) y un segundo sustrato (114), que están conectados de forma no separable entre sí para configurar un recorrido de paso de fluido controlable, y

con al menos un primer paso (12) y al menos un segundo paso (14),

en la que la microválvula (1) presenta al menos una estructura obturadora (11, 111) para la obturación respecto a un fluido,

caracterizada porque la microválvula está fabricada según un procedimiento acorde con una de las reivindicaciones 1 a 13.

15.- Microbomba con al menos una microválvula (1) según la reivindicación 14.

16 - Músculo hidráulico o elemento expansivo con un cuerpo hinchante de compresión (36) y un reservorio (38), que están conectados entre sí de forma fluídica, en el que el fluido se puede mover entre el cuerpo hinchante de compresión y el reservorio mediante una microbomba (2, 31) según la reivindicación 15.