DE4003116A1

DE4003116A1 - DIELECTRIC MOTOR WITH CONTROLLED DRIVING DIRECTION AND AN OPTIONAL CONTINUOUS OR DISCONTINUOUS RUN

Info

Publication number: DE4003116A1
Application number: DE19904003116
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Benecke; Bernd Dr Rer Nat Wagner; Jan Dr Rer Nat Gimsa; Guenter Dr Sc Nat Fuhr; Rolf Dr Rer Nat Hagedorn; Roland Prof Dr Glaser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1990-02-02
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1991-08-08
Also published as: WO1991011849A1

Abstract

A dielectric motor has a rotor which moves with discontinuous angular frequency or stepwise. These operating modes are obtained because the dielectric rotor is electrically asymmetrical or has a non-rotationally symmetrical shape in combination with an external electric alternating field the direction of which can be varied by means of several electrodes. The electronic actuator is shaped so that the operation characteristic of the motor can be varied continuously between that of a continuously operating motor and that of a stepped motor. These motors can be miniaturized to a few micrometres in size and have start-up times in the micro- and millisecond range. These motors can be incorporated as micromechanical components in electronic devices and thus lend themselves to a wide range of application.

Description

Field of application of the invention

Anwendungsgebiete der Erfindung sind z. B. die Mikroelektronik sowie Gebiete in denen mikromechanische Antriebe und Schalter benötigt werden. Die Erfindung ist zur Kombination mit anderen mikromechanischen Bauelementen geeignet und betrifft vor allem extrem kleine Antriebssysteme und Steuereinrichtungen.Fields of application of the invention are e.g. B. microelectronics as well as areas in which micromechanical drives and switches are needed. The invention is for combination with others micromechanical components suitable and especially affects extremely small drive systems and control devices.

Characteristic of the known prior art

Kontinuierlich laufende dielektrische Motoren, angetrieben über konstante elektrische Felder, sind sowohl in der Literatur in ihrer Wirkungsweise beschrieben, als auch in ihrem Rotationsverhalten berechnet worden (HERTZ, Wied. Ann. 13 (1881) 266; SECKER and SCIALOM, J. Appl. Physics 39 (1968) 277; SECKER and BELMONT, J. Phys. D.: Appl. Phys. 3 (1970) 216).Continuously running dielectric motors, driven by constant electric fields, are both in the literature in described their mode of action as well as in their Rotation behavior has been calculated (HERTZ, Wied. Ann. 13 (1881) 266; SECKER and SCIALOM, J. Appl. Physics 39 (1968) 277; TECKER and BELMONT, J. Phys. D .: Appl. Phys. 3 (1970) 216).

Kontinuierlich laufende dielektrische Motoren unterschiedlichen Aufbaus in extrem miniaturisierter Form (kleiner als 1000 Mikrometer in beliebiger Richtung) sind in GEO 10 (1988) 188 und in US-Patent 47 40 410 beschrieben. Sie lassen sich über kontinuierlich als auch diskontinuierlich rotierende elektrische Felder in gleichförmige Drehung versetzen. Bis zum Jahre 1988 gibt es keine praktische Anwendung dieses Motortyps, die Zahl der Publikationen zu diesem Thema ist außerordentlich gering.Continuously running different dielectric motors Structure in an extremely miniaturized form (less than 1000 Micrometers in any direction) are in GEO 10 (1988) 188 and described in U.S. Patent 4,740,410. You let yourself go continuously and discontinuously rotating Set electric fields in a uniform rotation. Until 1988 there was no practical application of this Engine type, the number of publications on the subject is extremely low.

Aim of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines kostengünstigen miniaturisierten dielektrischen Motors, der als mikromechanisches Bauelement hergestellt und angewendet werden kann und dessen Charakteristik zwischen der eines kontinuierlich laufenden und der eines Schrittmotors durch die Form der elektronischen Ansteuerung variiert werden kann.The aim of the invention is to develop a inexpensive miniaturized dielectric motor that as micromechanical component can be produced and applied can and its characteristics between the one continuously running and that of a stepper motor through the Form of electronic control can be varied.

State the nature of the invention

Die Aufgabe besteht in der Entwicklung eines dielektrischen Motors, dessen Rotor sich wahlweise diskontinuierlich oder kontinuierlich bewegt und dessen Drehrichtung durch die Art der Ansteuerung und den Rotoraufbau festgelegt werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein elektrisch asymmetrischer oder von der rotationssymmetrischen Form abweichender Rotor, mit umlaufenden oder schrittweise geschalteten elektrischen Gleich- oder Wechselfeldern angesteuert wird.The task is to develop a dielectric Motors, the rotor of which is either discontinuous or continuously moved and its direction of rotation by the type of Control and the rotor structure can be determined. According to the invention the object is achieved in that a electrically asymmetrical or from the rotationally symmetrical Different rotor shape, with rotating or stepwise switched electrical DC or AC fields is controlled.

Mit der hier dargestellten erfindungsgemäßen Lösung entstehen Motoren mit überraschenden und vorteilhaften Eigenschaften, aus denen sich neue, bisher nicht bekannte Anwendungsmöglichkeiten in der Mikroelektronik ergeben.With the solution according to the invention shown here arise Motors with surprising and advantageous properties which are new, previously unknown application options in microelectronics.

Im folgenden werden die Anwendungen am Beispiel eines elektrisch inhomogenen ellipsoiden Rotors erläutert. Der Rotor wird so zwischen 3 oder mehr Elektroden plaziert, daß die Rotationsachse auf einer der kurzen Halbachsen des Ellipsoids liegt. Bewegt sich die Richtung des innerhalb der Elektrodenanordnung erzeugten elektrischen Wechselfeldes diskontinuierlich, jedoch so langsam, daß sich der Rotor vor einer erneuten Richtungsänderung des Feldes orientiert hatte, so rotiert der Rotor diskontinuierlich, vorausgesetzt das Wechselfeld wird im gleichen Richtungssinn weitergeschaltet. Werden gegenüberliegende Elektroden angesteuert, so nimmt der ellipsoide Rotor eine stabile Lage ein, die sich erst ändert, wenn der Feldvektor sich in Richtung eines anderen Elektrodenpaares bewegt. Wechselt dabei der Richtungssinn des Weiterschaltens, so wechselt auch der Drehsinn des Rotors. Diese Betriebsart des Motors ist dadurch charakterisiert, daß sich der Winkelfehler des Rotors nach einer beliebigen Schrittanzahl nicht vergrößert. Dasselbe läßt sich mit dielektrisch asymmetrisch, jedoch in der Form rotationssymmetrisch aufgebauten Rotoren oder entsprechenden Kombinationen beider Möglichkeiten erreichen. Der Effekt kann verstärkt werden, wenn der Feldvektor pro Umlauf periodisch seine Amplitude ändert.In the following, the applications are exemplified by one electrically inhomogeneous ellipsoidal rotor explained. The rotor is placed between 3 or more electrodes so that the axis of rotation on one of the short semiaxes of the Ellipsoids lies. Moves the direction of the inside of the Electrode arrangement generated alternating electric field discontinuously, but so slowly that the rotor moves forward a new change of direction of the field, the rotor rotates discontinuously, provided that Alternating field is switched in the same direction. If opposing electrodes are activated, the ellipsoidal rotor a stable position that only changes when the field vector is heading towards another Electrode pair moved. Changes the direction of the Switching on also changes the direction of rotation of the rotor. This operating mode of the engine is characterized in that the angular error of the rotor after any Number of steps not increased. The same can be done with dielectric asymmetric, but in shape rotationally symmetrical rotors or equivalent Achieve combinations of both options. The effect can be amplified if the field vector per cycle periodically its amplitude changes.

Die Ansprechzeit des Rotors in mikrominiaturisierter Ausführung liegt im Mikrosekundenbereich.The response time of the rotor in microminiaturized version is in the microsecond range.

Embodiments 1 Example 1

11

Fig. 1 Dielektrischer Motor geeignet zum schrittweisen und kontinuierlichen Betrieb mit ellipsoidem Rotor. Fig. 1 dielectric motor suitable for step-by-step and continuous operation with an ellipsoidal rotor.

Der Aufbau des Motors ist in Fig. 1 angegeben. Die Rotationsachse 9 liegt auf der kurzen Halbachse a des schalenförmig aufgebauten Rotors 7. Um einen schrittweisen Betrieb zu erreichen werden zwei gegenüberliegende Elektroden 1 und 4, 2 und 5 oder 3 und 6 mit ungleicher Polarität oder einem Wechselfeld angesteuert. Die lange Halbachse b richtet sich in diese Richtung aus oder wird, je nach Eigenschaften der Rotordielektrika 7 und der Umgebungslösung 8, in eine andere Lage ausgerichtet, die stabil ist, bis der Feldvektor seine Position bezüglich des Elektrodenpaares ändert. Wird durch die Ansteuerung der Elektroden mit phasenverschobenen Spannungen (z. B. Sinusspannungen) ein rotierendes Feld erzeugt, so rotiert auch der Rotor kontinuierlich in eine, durch die Eigenschaften der Dielektrika festgelegte Drehrichtung.The structure of the engine is shown in Fig. 1. The axis of rotation 9 lies on the short semi-axis a of the shell-shaped rotor 7 . In order to achieve step-by-step operation, two opposite electrodes 1 and 4, 2 and 5 or 3 and 6 are driven with unequal polarity or an alternating field. The long semiaxis b is aligned in this direction or, depending on the properties of the rotor dielectrics 7 and the surrounding solution 8 , is aligned in a different position which is stable until the field vector changes its position with respect to the pair of electrodes. If a rotating field is generated by controlling the electrodes with phase-shifted voltages (e.g. sinusoidal voltages), then the rotor also rotates continuously in a direction of rotation determined by the properties of the dielectrics.

Als Umgebungsmedium 8 kommen wenig leitfähige Flüssigkeiten (Wasser, Alkohole etc.) aber auch Gase oder ein Vakuum in Frage. Die zum Betrieb des Motors notwendigen Feldstärken liegen bei größer 5 kV/m. In miniaturisierter Form des Motors, mit einem Gesamtdurchmesser von 50 bis 100 Mikrometer, genügen zur Elektrodenansteuerung 4 V, wobei auch höhere Spannungen angelegt werden können. Das Drehmoment bzw. die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors nimmt mit dem Quadrat der Feldstärke zu. Die Schrittzahl pro Umdrehung des Rotors kann über die Anzahl der Elektroden und über deren Ansteuerung variiert werden.Low-conductivity liquids (water, alcohols, etc.) but also gases or a vacuum can be considered as the surrounding medium 8 . The field strengths required to operate the motor are greater than 5 kV / m. In the miniaturized form of the motor, with a total diameter of 50 to 100 micrometers, 4 V are sufficient to control the electrodes, although higher voltages can also be applied. The torque or the rotational speed of the rotor increases with the square of the field strength. The number of steps per revolution of the rotor can be varied via the number of electrodes and their control.

Example 2

Fig. 2. Dielektrischer Motor geeignet zum kontinuierlichen und diskontinuierlichen Betrieb mit elektrisch asymmetrisch aufgebautem Rotor. Fig. 2. Dielectric motor suitable for continuous and discontinuous operation with an electrically asymmetrically constructed rotor.

Der Aufbau des Rotors ist Fig. 2 zu entnehmen. Im einfachsten Fall sind zwei Dielektrika 7a, 7b asymmetrisch angeordnet und starr miteinander verbunden. Die Form und Lage, sowie die elektrischen Eigenschaften der Dielektrika 7 und des Umgebungsmediums 8 entscheiden über die Stabilität der Vorzugslagen des Rotors. Die Feldansteuerung und der prinzipielle Motoraufbau entsprechen dem Ausführungsbeispiel 1. The structure of the rotor is shown in Fig. 2. In the simplest case, two dielectrics 7 a, 7 b are arranged asymmetrically and rigidly connected to one another. The shape and position, as well as the electrical properties of the dielectrics 7 and the surrounding medium 8 determine the stability of the preferred positions of the rotor. The field control and the basic motor structure correspond to embodiment 1.

Die dielektrischen Elemente des Motors werden mit Fertigungs methoden der Halbleitertechnik und der Mikromechanik herge stellt.The dielectric elements of the motor are manufactured with methods of semiconductor technology and micromechanics poses.

Als Substrat wird beispielsweise Silizium, evtl. versehen mit dünnen Isolationsschichten wie SiO₂ oder Si₃N₄, oder Glas ver wendet.As a substrate, for example, silicon, possibly provided with thin insulation layers such as SiO ₂ or Si ₃ N ₄ , or glass is used.

Die Elektroden werden mit photolithographischen Methoden struk turiert und galvanisch, z. B. mit Gold, abgeformt. Damit kann die Elektrodengeometrie mit Mikrometergenauigkeit definiert werden. Unter Verwendung der Tiefenlithographie können Elektrodenhöhen von mehreren hundert Mikrometer erreicht werden.The electrodes are structured using photolithographic methods turiert and galvanic, z. B. molded with gold. So that can the electrode geometry can be defined with micrometer accuracy. Using depth lithography, electrode heights of several hundred micrometers can be achieved.

Der Rotor wird ebenfalls mit mikromechanischen Verfahren aus dielektrischen Materialien gefertigt. Schichten wie SiO₂, Si₃N₄ oder TiO₂ können bis zu Dicken im Mikrometerbereich hergestellt und strukturiert werden. Dickere Rotoren können aus Photolack mit Tiefenlithographie gefertigt werden.The rotor is also made from dielectric materials using micromechanical processes. Layers such as SiO ₂ , Si ₃ N ₄ or TiO ₂ can be produced and structured up to thicknesses in the micrometer range. Thicker rotors can be made from photoresist with depth lithography.

Mit isotropen oder anisotropen und selektiven Ätzverfahren werden im Substrat präzise Gruben und Kanäle geätzt, die zur Fixierung des Rotors oder zum Heran- und Wegleiten der Umgebungslösung des Motors dienen. Mit den gleichen Verfahren kann auch eine mit dem Substrat verbundene Rotorachse hergestellt werden.With isotropic or anisotropic and selective etching processes Precise pits and channels are etched in the substrate to fix the Rotor or to bring the ambient solution of the motor up and down serve. Using the same procedure, one can use the substrate connected rotor axis.

Eine Kapselung des Systems kann mit einem zweiten Wafer, der auf den Substratwafer aufgebondet wird, erreicht werden.Encapsulation of the system can be done with a second wafer the substrate wafer is bonded can be achieved.

Die Verwendung von Silizium als Substratmaterial bietet die besondere Möglichkeit, elektrische Schaltkreise zur Ansteuerung und Regelung des Motors gemeinsam mit den mechanischen Elementen auf einen gemeinsamen Substrat (Wafer) zu integrieren.The use of silicon as a substrate material offers the special possibility to control and control electrical circuits Regulation of the motor together with the mechanical elements to integrate a common substrate (wafer).

Claims

1. Dielectric motor, the rotor consisting of one or more dielectrics is located between a plurality of electrodes and can have continuous or discrete transitions between different dielectric materials in one or more directions, or is compartmentalized, characterized in that the rotor is dielectric non-rotationally symmetrical and / or deviates from a rotationally symmetrical shape and is driven via an electric field, the direction and / or amplitude of which is determined and can be changed by the choice of the control of the electrodes and / or electrode shape and / or electrode arrangement with respect to the rotor.

2. Motor according to claim 1, characterized in that also continuously and discontinuously rotating fields that generated over 3 or more electrodes, with alternating Amplitude per field revolution can be used.

3. Motor according to claim 1, characterized in that the Rotor near one or more electrically polarizable body is located and over at least two Electrodes is driven.

4. Dielectric motor according to one of claims 1 to 3, characterized in that SiO ₂ , Si ₃ N ₄ , TiO ₂ or glass are used as dielectrics and that the electrodes are structured and galvanically shaped using photolithographic methods.

5. Dielectric motor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the mechanical elements with a electrical circuit for controlling and regulating the Motors are integrated on a common substrate.

6. Dielectric motor according to one of claims 1 to 5, characterized in that a semiconductor is used as the substrate crystal is used.