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Title:
MICROMECHANICAL ACTUATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1990/013750
Kind Code:
A1
Abstract:
A micromechanical actuator has a movable part, such as a membrane, bending beam or the like, which can be moved relative to a stationary part by a combination of electromagnetic and electrostatic forces. The manufacturing technology and applications of the actuator are described. The actuator is of very compact, integrated design.

Inventors:
Bosch, Dieter (Hansjakob-Straße 56, München 80, D-8000, DE)
Seidel, Helmut (Moosbichlerstraße 1, Starnberg, D-8130, DE)
Mück, Günther (Hygin-Kiene-Straße 5, Holzkirchen, D-8150, DE)
Application Number:
PCT/EP1990/000634
Publication Date:
November 15, 1990
Filing Date:
April 19, 1990
Export Citation:
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Assignee:
MESSERSCHMITT-BÖLKOW-BLOHM GMBH (Robert-Koch-Straße, Ottobrunn, D-8012, DE)
Bosch, Dieter (Hansjakob-Straße 56, München 80, D-8000, DE)
Seidel, Helmut (Moosbichlerstraße 1, Starnberg, D-8130, DE)
Mück, Günther (Hygin-Kiene-Straße 5, Holzkirchen, D-8150, DE)
International Classes:
F15C5/00; F16K99/00; (IPC1-7): F15C5/00
Foreign References:
DE8614741U11987-10-01
DE3621332A11988-01-14
US4826131A1989-05-02
Other References:
See also references of EP 0425612A1
Attorney, Agent or Firm:
MESSERSCHMITT-BÖLKOW-BLOHM GMBH (Robert-Koch-Strasse, Ottobrunn, D-8012, DE)
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Claims:
1. _ Mikromechanischer Aktuator Patentansprüche Mikromechanischer Aktuator mit einem feststehenden und einem be¬ weglichen Teil, wie z.B. Membran oder Biegebalken oder Wippe, mit rela¬ tiv geringer Dicke im Vergleich zu ihrer längen oder flächenhaften Aus¬ dehnung, wobei das bewegliche Teil durch Ausdehnung, Ausbiegung, Auslen¬ kung, Ausnutzung von Wipp, Kipp oder Schnappeffekt auf mechanischem, fluidischem oder elektrischem Wege relativ zu einem feststehenden Teil bewegbar ist, insbesondere für Steuer und Stellglieder, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der bewegliche Teil des Aktuators gesteuert in ver¬ schiedene Lagen veränderlich ist, bzw.
2. in einer bestimmten Lage fest¬ haltbar ist und daß das Umschalten des beweglichen Teils von einer Ruhe¬ lage in eine Arbeitslage (und vice versa) mittels elektromagnetischer Kräfte und das Halten in der Arbeitslage mittels elektrostatischer Kräf¬ te erfolgt.
3. Mikromechanischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Kräfte nach Art von LorentzKräften, Cou¬ / lombKräften oder Kräften zwischen stromführenden Leitern aufgebracht werden.
4. Mikromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennze chnet, daß die magnetischen Stell oder Haltekrafter *• zeuger mit den mikromechanischen Aktuatoren, die wenigstens eine aus ei¬ nem Substrat herausgearbeitete Struktur aufweisen, zusammen mit ihrer Ansteuerung ein integriertes ^Bauteil bilden.
5. Mikromechanischer Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß mehrere integrierte Bauteile parallel oder in Reihe ge¬ schaltet sind oder ein flächenhaftes Array aus Linien und Spalten (in X und YRichtung) bilden.
Description:
Mikromechanischer Aktuator

Die Erfindung bezieht sich auf Aktuatoren aus mikrostukturierten Sub¬ straten, wobei bewegliche Teile (wie z.B. Biegebalken oder Membranen) durch äußere Kräfte angetrieben werden, relativ zu einem feststehendem Teil.

Bisher bekannt sind eine Reihe von mikromechanischen Aktuatoren, wie z.B. die Ausstoßelemente von Tintenstrahldruckern, Lichtventile, Licht¬ modulatoren und dgl. Bekannt ist dabei die Erzeugung von Antriebskräften für die o.g. Bauelemente mit Hilfe elektrostatischer Kräfte. Diese Me¬ thode ist relativ leicht realisierbar und bietet ferner die Möglichkeit mit sehr geringen Leistungen auszukommen. Andererseits hat sie jedoch den Nachteil, daß wegen der geringen Antriebsleistungen auch die erzeug¬ ten Kräfte, insbesondere Steuer- oder Stellkräfte nicht sehr groß sind. Dies macht sich besonders dann nachteilig bemerkbar, wenn z.B. ein Fluid in Bewegung gesetzt oder gestoppt werden soll. Die Schaltfrequenz von mechanischen, elektrischen oder fluidisch angetriebenen Stellern ist ge¬ ring.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen mikromechanischen Aktuator zu schaffen, der einerseits mit hoher Schaltfrequenz betrieben werden kann und andererseits reproduzierbare fein dosierte Stellkräfte erzeugt bzw. abgibt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkma¬ le. Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen sowie der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels enthal¬ ten. Zur Erfindung gehören ausdrücklich auch Kombinationen der beschrie¬ benen Ausführungen untereinander sowie mit an sich bekannten Merkmalen.

Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung sowie Anwendungen hierfür er¬ geben sich aus nachstehenden Ausführungsbeispielen, ohne hierauf be¬ schränkt zu sein.

Die erfindungsgemäß vorgesehene magnetische Ansteuerung von mikromecha¬ nischen Aktuatoren bietet gegenüber bekannten Verfahren vielfältige Vor¬ teile. Bei Anwendung von Permanent-Magneten lassen sich relativ große Kräfte erzeugen, die im Gegensatz zu elektrostatischer Kräfteerzeugung weitgehend unabhängig vom Stellweg des beweglichen Teils des Aktuators sind. Ferner Tassen sich die Kräfte in beiden Richtungen erzeugen und sowohl im E n-/Ausschaltmodus betreiben als auch zum Umschalten von ei¬ ner Stellung in eine andere. Die erfindungsgemäßen Aktuatoren lassen sich mit vertretbar geringen elektrischen Spannungen betreiben, trotzdem werden insbesondere relativ große Stellkräfte magnetisch erzeugt. Der erfindungsgemäße Aktuator läßt sich mit den bekannten Methoden der Mi- kromechanik, wie Ätztechnik oder andere Art der Feinstrukturierung wie auch mit Hilfe der Herstellungstechniken für integrierte Schaltkreise IC's relativ einfach herstellen. Ein wichtiger Vorteil ist die inte¬ grierte Bauweise des erfindungsgemäßen Aktuators, die die Ansteuerung einschließt und auf kleinstem Raum realisierbar ist. Dies gilt insbeson¬ dere für die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kombination von elektrosta¬ tischer und magnetischer Erzeugung von Stell räften, wobei sich letztere zur Auslenkung, Ausbiegung oder dgl. Umschaltung von einer Ruhelage in eine Arbeitslage nutzen lassen, während die nahezu leistungslos auf¬ bringbare elektrostatische Kraft zum Halten eines beweglichen Teiles in Ruhestellung dient.

Anwendungen der Erfindung liegen vor allem bei Mikroventilen für pneuma¬ tische und hydraulische Anwendungen, weil "hier der vorgeschlagene Aktua¬ tor wegen seiner geringen Abmessungen und kleinen Massen einen großen Vorteil bildet. Insbesondere ist es leicht hiermit einen Gasfluß zu steueVn aber auch sonstige Stell- und Schaltfunktion auszuüben. Vorteil¬ haft ist eine Anwendung, z.B. als pneumatischer Digital/Analog-Wandler, weil ein binärer Schaltzustand Ein/Aus- bzw Offen/Zu leicht erreicht werden kann. Bei Anordnung mehrerer Aktuatoren in Reihen und Säulen (Array) über eine Fläche läßt sich auch eine geometrische Zuordnung, d.h. eine flächenhafte Detektor- oder Sensoranwendung oder eine Ultra- schallanwendung oder Sonaranwendung o.a. Schwingeranwendung leicht rea¬ lisieren. Lichtmodulatoren, Lichtventile, Beugungsgitter, mechanische

Gitter, Siebe, wie Mikrosiebe, optoelektronische, fluidische, mechano- elektrische Zeilen- und Array-Anordnungen und Anwendungen ermöglicht die Erfindung durch ihre einfache und wirkungsvolle Bauweise immer dann, wenn Stell- und Steuerfunktionen auf kleinstem Raum auch mit hoher Fre¬ quenz ausgeführt werden sollen einschließlich solcher Stell- und Steuer¬ triebe wie sie in Miniaturpumpen (Membranpumpen) und Miniaturstellmoto- ren (Linear Pusher) angewandt werden. Der erfindungsgemäße Aktuator kann sowohl zur stufenweisen als auch zur stufenlosen Stellkraftübertragung dienen und nicht nur im binären Betrieb sondern auch mehrstufig kontinu¬ ierlich oder diskontinuierlich und zum Steuern eines Gesamtflusses oder eines Teilflusses einer Strömung bzw. von elektrischen Strömen oder Schall- oder Lichtwellen dienen. Er ist geeignet mit Gegendruck oder oh¬ ne Gegendruck sowie mit Vakuum zu arbeiten.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen:

Die vorliegende Erfindung benützt für die Realisierung mikromechanischer Aktuatoren folgende Antriebskräfte (siehe Fig. 1):

Fig. la Kraft auf einen stromführenden Leiter im Magnetfeld ("Kraft 1")

Fig. lb Kraft zwischen 2 stromführenden Leitern ("Kraft 2")

Fig. 1c Kraft zwischen elektrisch geladenen, leitenden Flächen ("Kraft 3")

In Fig. 2 -sind 4 prinzipielle Bauformen von Aktuatoren aus strukturier¬ tem Silizium dargestellt. Als bewegliche Elemente enthalten sie Biege¬ balken und Membranen, die mit Hilfe der Kräfte 1 und 3 angetrieben bzw. festgehalten werden. Die auf den beweglichen Elementen angedeuten "Stromleiter" sind im Querschnitt zu sehen, verlaufen also senkrecht zur Zeichenebene. Das zur Erzeugung von Kraft 1 erforderliche Magnetfeld wird in allen Fällen von Dauermagneten erzeugt. Prinzipiell sind hierfür auch Spulenanordnungen denkbar, sie werden jedoch hier außer Acht gelas¬ sen aus folgenden Gruden:

zur Felderzeugung vird elektrische Leistung benötigt aus geometrischen und energetischen Gründen können nur verhältnis¬ mäßig kleine Felder erzeugt werden die Herstellung von Spulen ist kostenintensiv

Die Integration der verwendeten Dauermagnete kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen:

fertige Dauermagnete der gewünschten Form und bevorzugter Magneti¬ sierungsrichtung werden direkt mit dem Silizium-Teil des Aktuators mit Hilfe von an sich bekannten Klebern verbunden. Die dabei nötigen Justierhilfen in Form von mechanischen Positionsbegrenzern sind in die Silizium-Struktur eingearbeitet,

die Herstellung der Dauermagnete wird in den Aktuator-Technolo- gie-Ablauf mit einbezogen: Das pulverisierte Magnetmaterial wird in entsprechenden "Wannen" des Siliziumkörpers in die erforderliche Form gepreßt, gesintert, thermisch nachbehandelt und magnetisiert.

Als Dauermagnet-Materialien werden vorzugsweise Kobalt-Samarium und Neo¬ dym-Eisen-Bor verwendet. Diese Werkstoffe sind durch ein sehr hohes Energieprodukt-Maximum gekennzeichnet, weshalb sich Magnete hoher Feld- stärke auch in sehr kleinen Dimensionen realisieren lassen, die mit der Silizium-Struktur integrierbar sind.

Im Einzelnen zeigt Fig. 2 folgende Arten von Aktuatoren:

Fig. 2a Stationär auslenkbarer oder kontinuierlich schwingender Biege¬ balken. Antrieb: Kraft 1

Mögliche Anwendung: Laser-Scanner. Hierbei muß ein Teil der Bal- keήoberflache verspiegelt werden.

Fig. 2b Anordnung analog Fig. 2a, jedoch mit zusätzlicher Elektrode ge¬ genüber der Baikenoberflache. Antrieb: Kräfte 1 und 3 Als Gegenelektrode zur Erzeugung von Kraft 3 dient die mit

Stromleitern belegte Balkenoberfläche, die in diesem Fall mit einer Isolatorschicht versehen ist. Die o.g. Elektrode kann z.B. dazu dienen, den Biegebaien in der ausgelenkten Position festzu¬ halten, sodaß 2 Ruhezustände möglich sind.

Fig. 2c Anordnung analog Fig. 2a, jedoch mit Membran als beweglichem Element. Antrieb: Kraft 1

Fig. 2d Anordnung analog Fig. 2c, jedoch mit zusätzlicher Elektrode ge¬ genüber der Membranoberfläche. Antrieb Kräfte 1 und 3 Fügt man (wie gezeigt) in den die Elektrode tragenden Si-Teil 2 eine Bohrung ein, so ist diese Anordnung speziell als Ventil ge¬ eignet.

Die prinzipiellen Ausführungsformen des Aktuators als Mikroventil werden im Folgenden näher beschrieben:

Fig. 3a Mikroventil "stromlos offen"

Die Funktionsweise ist klar zu erkennen: Die in Si-Teil 1 durch anisotropes Ätzen erzeugte Membran ist mit Stromleitern belegt, in denen der zur Ventil-Aktivierung benötigte Strom jeweils in gleicher Richtung und senkrecht zur Zeichenebene fließt. Das durch die Dauermagnete 1 und 2 erzeugte Magnetfeld hat die Rich¬ tung "links-rechts", sodaß die bei Stromfluß erzeugte Kraft nach "oben" oder "unten" gerichtet ist. Die Membran kann also auf diese Weise aus ihrer Ruhelage herausbewegt werden. Im stromlo¬ sen Zustand ist, wie gezeigt, die VentilÖffnung frei, bei Stro - durchgang (in der richtigen Richtung) wird die Membran nach oben ausgelenkt und dichtet die Ventilöffnung ab. Der Zustand "Ventil zu" läßt sich durch Einbeziehung der an Si-Teil 2 im Bereich der Dichtungsflache angebrachten Elektrode quasi leistungslos auf¬ rechterhalten. Durch Anlegen einer Spannung zwischen dieser Elektrode und der Membran-Stromleiterstruktur wird die benötigte Anziehungskraft (Kraft 3) erzeugt. Eine Vari¬ ante der Ventilansteuerung ergibt sich durch Umkehrung der in

Fig. 3a gezeichneten Flußrichtung. Im Zustand "Ventil zu" kann die Membran-Haltekraft durch den Systemdruck des steuernden Me¬ diums aufgebracht werden (Servo-Funktion). Die Elemente zur Er¬ zeugung der elektrostatischen Kraftkomponente sind in diesem Fall überflüssig.

Die geometrische Konfiguration der Stromleiter- und Elektroden¬ struktur wird in Fig. 4 gezeigt.

Fig. 3b Mikroventil "stromlos geschlossen"

Die Kräfte zur Ventilbetätigung werden sinngemäß wie oben er¬ zeugt. Die zum Ventil zusammengefügten Silizium-Teile sind je¬ doch so ausgebildet, daß im Ruhezustand die Ventilöffnung ge¬ schlossen ist. Der Si-Teil 2 trägt statt der beweglichen Membran einen an dünnen Stegen aufgehängten "Pfropfen". Die Flußrichtung des zu steuernden Mediums verläuft auf der Einlaßseite (im Si-Teil 2) senkrecht zur Zeichenebene.

Fig. 4 Detail-Ausführung des Ventils nach Fig. 3a im Maßstab 50:1 Oben: Querschnitt Unten: Draufsicht auf Si-Teil 1

Bezeichnungen: A : Silizium-Teil 2 AI : VentilÖffnung A2 : Elektrode A3 : Kontakt A2 zu B5 B -: Silizium-Teil 1 Bl : Membran

B2 : Stege (Membranaufhängung)

B3 : Stromleiter-System auf Bl

B4 ' : Zuleitungen zur B3

B5 : Zuleitung zur Elektrode A2

C : Trägerplatte mit Strömungskanal (Si oder Glas)

Dl : Dauermagnet 1

D2 : Dauermagnet 2

Die benötigten Stromleiter, Elektroden- und Kontaktflächen werden vor¬ zugsweise durch Bedampfen mit Gold (o,5 - lμm Dicke) und die in der Halbleitertechnik üblichen Strukturierungsmethoden hergestellt. Wahlwei¬ se sind die Elektrode A2 und/oder die Leiteranordnung B3 mit einer iso¬ lierenden Schutzschicht (z.B. 1 μm Si-Oxyd) versehen. Der Stromleiter B3 könnte im Prinzip aus einer einzigen leitenden Fläche bestehen, deren Dicke durch den maximal nötigen Strom bestimmt ist. In diesem Fall wäre jedoch die Stromverteilung nicht optimal bezüglich der Krafterzeugung. Die Aufteilung in mehrere parallele Bahnen hat das Ziel, nur die zur Lo- rentz-Kraft beitragenden Stromkomponenten zuzulassen. Die Stromzuleitung erfolgt über die Stege B2 (je Steg der halbe Gesamtstrom) und die Lei¬ terbahnen (mit Kontaktpads) B4. Die Zuleitung B5 zur Elektrode A2 wird über die Kontaktstelle A3 zwischen Si-Teil 1 und Si-Teil 2 geführt, um alle elektrischen Anschlüsse auf einer einzigen Bondebene zu haben.

Fig. 5 Elektrische Ansteuerung des Mikroventils

Es wird davon ausgegangen, daß es sich um ein digital funktio¬ nierendes Ventil handelt. Die Erzeugung der Zustände "offen" und "geschlossen" erfolgt durch Ansteuerung mit den beiden Spannun¬ gen UI und U2. Ausgehend vom (stromlosen) offenen Zustand wird das Ventil durch einen Spannungsimpuls +U1 geschlossen, wobei die gleichzeitig angelegte Spannung U2 einerseits die Schlie߬ kraft und Schließgeschwindigkeit erhöht, andererseits den ge¬ schlossenen Zustand stromlos aufrechterhält. Abschalten von U2 öffnet das Ventil. Dieser Vorgang kann wiederum durch einen Spannungsimpuls -UI unterstützt werden.

Fig. $ Schematische Darstellung eines Ventilarrays VI ... Vn

Durch parallele Anordnung mehrerer Ventile auf einem gemeinsamen Träger (der u.a. die Zu- und Abflußleitungen enthält) läßt sich mit den beschriebenen Digitalventilen eine näherungsweise analo¬ ge Flußsteuerung erzielen, wobei die Nenn-Durchflußmengen der Einzelventile sinnvollerweise binär abgestuft sein sollten (pneumatischer und hydraulischer D/A-Wandler).

In Fig. 7 werden zwei Varianten der beschriebenen Aktuatorausfuhrungen (Prinzipaufbau siehe Fig. 2) dargestellt, die sich auf spezielle Anwen¬ dungen beziehen:

Fig. 7a Ausführung für besonders hohe Schaltkräfte

Durch Hinzufügen eines Weicheisen-Ankers, der in etwa den Quer¬ schnitt der Dauermagnete haben sollte, wird der ansonsten hohe Streufluß der Magnete 1 und 2 im Außenraum des Aktuators drastisch reduziert, wodurch der Nutzfluß im Luftspalt, in dem sich der zu bewegende Aktuatorteil befindet, entsprechend erhöht wird. Proportional zu dieser Fluß- bzw. Felderhöhung steigt die erzeugbare Kraft.

Fig. 7b Ausführung für niedrige Schaltkräfte

Statt der bisher verwendeten beiden Dauermagnete wird ein zwei¬ tes Stromleitersystem zur Erzeugung einer Bewegungskraft ("Kraft 2" siehe Fig. lb) integriert. Dieses Leitersystem befindet sich z.B. an der Stelle der Elektrode A2 in Fig. 4. Die Strombahnen der beiden kooperierenden Leitersysteme sollten vorzugsweise pa¬ rallel sein. Die schematisch eingezeichneten "Kontakte 1-2" die¬ nen dazu, die Anschlüsse des oberen Leitersystems zusammen mit denen des unteren Leitersystems auf eine Ebene zu führen. Verglichen mit der Dauermagnet-Ausführungsform in Fig. 4 sind die hier erzeugbaren Kräfte um 1 bis 2 Größenordnungen kleiner. Diesem Nachteil steht der Vortei1 -eines um den Faktor 2 bis 3 verringerten Aktuatorvolumens gegenüber, wodurch sich z.B. Ak- tuatorsysteme aus vielen Einzelkomponenten deutlich kompakter t- bauen lassen.