DE19517204A1 - Mikromechanischer Aktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektischen Aktor gemäß dem ersten und zweiten Patentanspruch.

Einen Überblick über piezoelektische Aktoren gibt ein Vor­ tragsmanuskript von D. J. Jendritza: "Piezoelektrische Akto­ ren" in "Technischer Einsatz von neuen Aktoren - Grundlagen, Werkstoffe und Anwendungen" der Technischen Akademie Esslin­ gen, Weiterbildungszentrum, 10. und 11. Februar 1994 in Ost­ fildern. In diesem Manuskript werden im Abschnitt "3 Design von piezoelektrischen Aktoren" verschiedene Standard-Bauformen beschrieben. Eine der Standard-Bauformen stellt einen Biege­ wandler dar, bei dem sich ein einseitig fixierter Biegearm aus einem piezoelektrischen Material unter Spannung in der Art ei­ nes Biegemetallstreifens verformt. Eine weitere Standard-Bau­ form betrifft eine Biegescheibe aus einem piezoelektrischen Material, die mit ihren Rändern fixiert ist und sich unter Spannung wölbt. Als Beispiel eines wegvergrößernden Systems ist ein Piezowandler dargestellt, der durch seine Ausdehnung einen einseitig gelagerten Hebel bewegt. Bei einem weiteren wegvergrößernden System wird ein Stapel von Piezokeramikplat­ ten eingesetzt, wobei die Kraft-Weg-Transformation hydraulisch durch eine Flüssigkeit erfolgt. Die dargestellten wegver­ größernden Systeme sind aus verhältnismäßig vielen Teilen zu­ sammengesetzt, die montiert werden müssen. Sie lassen sich da­ her praktisch nicht miniaturisieren.

Aus der DE 38 41 557 A1 ist ein mikromechanischer Manipulator bekannt, der aus einem Silicium-Substrat, Heizelementen und einem Manipulatorarm besteht. Der Manipulatorarm besteht aus einer T-förmigen Platte, deren langgestreckter Bereich teil­ weise mit einer Schicht überzogen ist, die einen höheren Aus­ dehnungskoeffizienten aufweist. Der Manipulatorarm ist an sei­ nem Querstück über eine Zwischenschicht mit dem Substrat ver­ bunden und in geringem Abstand parallel zur Oberfläche des Substrats angebracht. Das andere Ende des Manipulatorarms ist lose. Bei einer Temperaturerhöhung mit Hilfe der Heizelemente wölbt sich infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizi­ enten der mit der Schicht überzogene Bereich des Manipula­ torarms auf, so daß das lose Ende eine Bewegung parallel zur Substratoberfläche ausführt. Das lose Ende wird zum Antrieb anderer Komponenten wie z. B. eines Zahnrades verwendet. Der Stellweg in Relation zur Länge des Manipulatorarms ist bei diesem mikromechanischen Manipulator verhältnismäßig gering. Nach jeder Bewegung muß die Abkühlung abgewartet werden.

Aus der Veröffentlichung "Magnetostrictive thin film actuators" von E. Quandt, B. Gerlach, T. Gerst und K. Seemann, in Procee­ dings Actuator 94 Bremen (June 15-17, 1994), Herausg.: Axon Technology Consult GmbH. Bremen, Seiten 229 bis 231, ist es bekannt, Aktoren in der Art eines freitragenden Kragarms aus einem dünnen, einseitig fixierten Siliciumplättchen und einer darauf aufgetragenen Schicht eines Materials mit magnetostrik­ tiven Eigenschaften herzustellen. Weil sich die magnetostrik­ tive Schicht unter dem Einfluß eines Magnetfelds ausdehnt, biegt sich der Kragarm. Weiterhin werden Mikropumpen und Mi­ kroventile mit Membranen aus einem magnetostriktiven Material beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist, einen mikromechanischen Aktor vor­ zuschlagen, der durch wenige mikrosystemtechnische Verfahrens­ schritte herstellbar ist. Er soll eine große Stellkraft und gleichzeitig einen großen Stellweg aufweisen, ohne daß sepa­ rate wegvergrößernde Komponenten erforderlich sind.

Die Aufgabe wird durch den im ersten und zweiten Pa­ tentanspruch beschriebenen mikromechanischen Aktor gelöst. Be­ vorzugte Ausgestaltungen des Aktors sind Gegenstand des drit­ ten und vierten Patentanspruchs.

Der erfindungsgemäße Aktor besteht aus einem Substrat aus ei­ ner Piezokeramik, einem elektro- oder einem magnetostriktiven Material. Diese Substrate haben die Eigenschaft, daß sie sich unter der Einwirkung einer elektrischen Spannung, einem elek­ trischen oder einem magnetischen Feld entlang einer Richtung entweder verkürzen oder ausdehnen. Als Piezokeramik eignen sich die bekannten Materialien wie z. B. Quarz, Polymere oder Keramiken, z. B. eine PZT-Keramik. Ein elektrostriktives Mate­ rial ist z. B. ein Kochsalzkristall. Magnetostriktive Eigen­ schaften besitzt z. B. Terphenol-D (Tb_xDy_1-xFe_y).

Auf einer freien Oberfläche des Substrats sind zwei zueinander in einem Abstand stehende Ankerblöcke vorgesehen, die auf ei­ ner Parallelen zu der Richtung liegen, in der die Verkürzung oder Ausdehnung erfolgt. Diese Anordnung der Ankerblöcke ge­ währleistet, daß die Größe des Abstands davon abhängt, ob eine elektrische Spannung, eine elektrisches oder ein magnetisches Feld auf das Substrat einwirkt oder nicht. Entsprechend stehen die Ankerblöcke in einem größeren oder einem kleineren Ab­ stand, je nach dem, ob diese Einwirkung vorliegt.

Als Betätigungseinrichtung des Aktors dient ein zumindest teilweise flexibles Schaltelement, das ausschließlich an den Ankerblöcken befestigt ist, die freie Oberfläche des Substrats jedoch nicht berührt. Stehen die Ankerblöcke in dem größeren Abstand zueinander, ist das Schaltelement im wesentlichen frei von Kräften, die über die Ankerblöcke einwirken. Werden die Ankerblöcke dagegen in einen kleineren Abstand zueinander ge­ bracht, geht das Schaltelement in einen gespannten Zustand mit geänderter Form über.

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß bereits eine kleine Verkürzung des Abstandes der Ankerblöcke ausreicht, um eine deutliche Änderung in der Form des Schaltelements möglich zu machen. Eine kleine Abstandsverminderung bewirkt eine große Formveränderung des Schaltelements. Mit dem erfindungsgemäßen Aktor können daher unmittelbar und ohne Montageaufwand große Stellwege realisiert werden, ohne daß separate wegvergrößernde Systeme eingesetzt werden müssen.

Das Material und die Form der Ankerblöcke ist im wesentlichen beliebig. Geeignet sind z. B. Metalle oder harte Kunststoffe. Wesentlich ist ausschließlich, daß die Ankerblöcke starr mit dem Substrat verbunden und die auftretenden Kräfte ohne Ver­ formung aufzunehmen in der Lage sind. Der Abstand, in dem die Ankerblöcke auf dem Substrat angebracht werden, hängt im we­ sentlichen vom gewünschten Stellweg und von den Materialeigen­ schaften des sie verbindenden streifenförmigen Schaltelements ab.

Auch für das Schaltelement bestehen hinsichtlich der Wahl des Materials prinzipiell keine Einschränkungen. Es muß jedoch zu­ mindest teilweise ausreichend flexibel sein, damit es in die geänderte Form übergehen kann. Die Flexibilität kann durch die Wahl eines geeigneten Materials, z. B. eines Kunststoffs oder eines Metalls, sichergestellt werden. Vorzugsweise bestehen jedoch die Ankerblöcke und das Schaltelement aus demselben Ma­ terial, wobei die Materialstärke des Schaltelements im Ver­ hältnis zur Materialstärke der Ankerblöcke vermindert wird, so daß die erforderliche Flexibilität gewährleistet wird. Ein solcher Aktor läßt sich mit mikrostrukturtechnischen Methoden besonders einfach herstellen.

Die beiden Aktoren gemäß Anspruch 1 und 2 unterscheiden sich nur in der Art der Betätigung. Die zweite Stellung, bei der das Schaltelement in einen gespannten Zustand mit gegenüber der ersten Stellung geänderter Form übergeht, wird beim Aktor gemäß Anspruch 1 unter der Einwirkung der angelegten Spannung, des elektrischen oder des magnetischen Feldes auf das Substrat erreicht, beim Aktor gemäß Anspruch 2 dagegen ohne diese Ein­ wirkung. Die umgekehrten Verhältnisse liegen hinsichtlich der ersten Stellung vor.

Die Ansprüche 3 und 4 beschreiben zwei Ausführungsformen der mikromechanischen Aktoren gemäß Anspruch 1 oder 2, die nach­ folgend näher erläutert werden. Im folgenden wird zuerst der Aktor gemäß Anspruch 3 beschrieben.

Bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 3 stellt das Schaltele­ ment einen streifenförmigen, dünnen Quader dar; es hat damit die Form eines Bandes. Stehen die Ankerblöcke in dem größeren Abstand zueinander, können die breiten Seitenflächen des band­ artigen Schaltelements im wesentlichen parallel oder senkrecht zur Oberfläche des Substrats verlaufen. Diese Stellung des Ak­ tors wird als erste Stellung bezeichnet. In dieser Stellung befindet sich das Band im wesentlichen auf der Verbindungsli­ nie zwischen den beiden Ankerblöcken.

Wird der Abstand zwischen den Ankerblöcken verringert, wölbt sich das Schaltelement auf. Die Stellung, die der Aktor hier­ bei einnimmt, wird als zweite Stellung bezeichnet. Die Rich­ tung, in der sich die Wölbung vollzieht, liegt parallel zur Oberfläche des Substrats, wenn die breiten Seitenflächen des Schaltelements senkrecht zur Oberfläche des Substrats verlau­ fen. Da sich das Schaltelement hierbei über die Oberfläche des Substrats bewegt, ist sicherzustellen, daß die Oberfläche frei ist und die Wölbung des Schaltelements nicht behindert. Liegen die Seitenflächen parallel zur Oberfläche des Substrats, wölbt sich das Schaltelement hierzu senkrecht. Mit dem Scheitel der Wölbung lassen sich weitere Komponenten wie z. B. Schaltele­ mente oder Betätigungshebel bewegen.

Liegt das streifenförmige Schaltelement exakt auf einer Ebene, hängt die Seite, auf die es sich beim Anlegen einer Spannung bogenförmig aufwölbt, vom Zufall ab. Ein solcher Aktor ist technisch nicht sinnvoll einsetzbar. Es muß daher sicherge­ stellt werden, daß die Seite der Wölbung vorherbestimmbar ist.

Im einfachsten Fall wird dies dadurch erreicht, daß das Schaltelement auch bei dem kleinen Abstand der Ankerblöcke mi­ nimal gewölbt ist. Eine minimale Wölbung läßt sich bei der Herstellung mit mikrostrukturtechnischen Verfahren auf einfa­ che Weise vorsehen; sie stellt sicher, daß das Schaltelement ausschließlich zwei definierte Stellungen einnimmt. Alternativ hierzu kann das Schaltelement etwa durch Laserablation in der Mitte oder an seinen den Ankerblöcken benachbarten Enden mit solchen Einkerbungen versehen werden, die eine Auslenkung in eine einzige vorherbestimmte Richtung bewirken.

Andererseits gibt es Anwendungsmöglichkeiten für einen Aktor, dessen Stellweg parallel zur Substratoberfläche verläuft und der in vorherbestimmbarer Weise in beide Richtungen wirkt. Ein solcher Aktor ist in der Lage, zwei Schaltelemente zu betäti­ gen. Zu diesem Zweck kann der Aktor beispielsweise mit einem bandförmigen Schaltelement versehen werden, das exakt in einer Ebene senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtet ist und aus einem ferromagnetischen Material besteht, wobei gegenüber der Mitte des Schaltelements zwei elektrische Spulen auf dem Substrat angeordnet sind. Wird eine der beiden Spulen von Strom durchflossen, bewirkt sie eine minimale Auslenkung des streifenförmigen Schaltelements auf die entsprechende Seite, so daß auch die Richtung seiner Wölbung vorgegeben ist, wenn der Abstand zwischen den Ankerblöcken verkürzt wird.

Die Figur zeigt die Ausführungsform gemäß Anspruch 4. Teil (A) der Figur stellt den mikromechanischen Aktor in der ersten Stellung, Teil (B) in der zweiten Stellung dar.

Das Substrat 1 besteht aus einer Piezokeramik, die sich bei dieser Ausführungsform unter dem Einfluß einer Spannung, die über (nicht dargestellte) Elektroden angelegt wird, in der durch die Pfeile 3 dargestellte Richtung verkürzt. Der Teil (A) der Figur zeigt den Zustand des Aktors, der sich bei nicht angelegter Spannung einstellt. Hierbei stehen die Ankerblöcke 4 in dem größeren Abstand.

Die gezeigte, in Anspruch 4 beschriebene Ausführungsform ent­ hält ein Schaltelement 5, das aus drei aneinandergrenzenden Abschnitten 6, 7 und 8 besteht. Das Schaltelement 5 verbindet die beiden Ankerblöcke 4 miteinander, die ihrerseits starr auf der freien Oberfläche 2 des Substrats 1 angeordnet sind.

Die ersten und zweiten, mit jeweils einem Ankerblock 4 verbun­ denen Abschnitte 6, 7 des Schaltelements liegen auf zwei zu­ einander in Abstand stehenden Parallelen. Ihre Enden 9, 10 liegen dem betreffenden Ankerblock 4 gegenüber. Diese Enden 9, 10 sind mit dem dritten Abschnitt 8 verbunden. Dieser Ab­ schnitt weist eine über das Ende 9 hinausragende Verlängerung 11 auf.

Die beiden ersten Abschnitte 6, 7 sind wesentlich unflexibler als der Abschnitt 8, der ihre Enden 9, 10 verbindet. In der dargestellten Ausführungsform wird dies durch eine größere Dicke dieser Abschnitte erreicht. Der mittlere Abschnitt 8 ist dünner und damit flexibler ausgeführt. Die Verlängerung 11 ist zwar ebenfalls dünn dargestellt; sie kann dann, wenn höhere Kräfte erzielt werden sollen, versteift ausgeführt werden.

In der ersten Stellung (Teil (A) der Figur) stehen der mitt­ lere Abschnitt 8 die Verlängerung 11 etwa im Winkel von 900 zu den beiden ersten Abschnitten 6, 7. Wird an das Substrat 1 Spannung angelegt, verkürzt sich der Abstand zwischen den bei­ den Ankerblöcken 4. Da der mittlere Abschnitt 8 wesentlich leichter verformbar ist als die beiden benachbarten Abschnitte 6 und 7, wird er in der Weise verformt, daß er mit den beiden benachbarten Abschnitten 6 und 7 einen kleineren Winkel als 90° einschließt. Das freie Ende der Verlängerung 11 des mitt­ leren Abschnitts 8 führt dabei eine kreisförmige Bewegung aus. Das Ausmaß dieser Bewegung und damit das Übersetzungsverhält­ nis hängt von dem Längenverhältnis des mittleren Abschnitts 8 und der Verlängerung 11 ab. Übersetzungsverhältnisse von 10 bis 20 können problemlos realisiert werden. Eine Verkürzung des Substrats in Pfeilrichtung um 1 µm ergibt damit einen Stellweg von bis zu 20 µm.

Die Herstellung des mikromechanischen Aktors kann mit Hilfe der bekannten mikrostrukturtechnischen Methoden erfolgen. Bei­ spielsweise wird die freie Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats zuerst mit einer elektrisch leitenden Schicht verse­ hen, die in bekannter Weise photolithographisch strukturiert wird und auf die anschließend eine weitere Schicht eines Me­ talls wie Titan, die ebenfalls strukturiert wird, aufgebracht wird. Das so vorbereitete Substrat wird mit einer Schicht ei­ nes strahlenempfindlichen Kunststoffs wie Polymethacrylat (PMMA) überzogen. Über eine Maske, die als offenen Bereich die die Form der Querschnitte von Ankerblöcken und streifenförmi­ gem Schaltelement parallel zur Substratoberfläche aufweist, wird die Schicht des Kunststoffs mit Licht bestrahlt. Die be­ strahlten Bereiche des Kunststoffs werden durch Entwickeln entfernt. Anschließend wird der entwickelte Bereich galvanisch mit einem beim folgenden Verfahrensschritt nicht ätzbaren Me­ tall ausgefüllt, wobei die teilweise freigelegte, darunterlie­ genden elektrisch leitenden Schichten als Elektroden und die verbleibende Kunststoffschicht als Form dienen. Nach Entfernen der verbleibenden Kunststoffschicht kann die selektiv ätzbare Metallschicht ohne einen Angriff der elektrisch leitenden Schicht und des galvanisierten Metalls entfernt werden. Hier­ durch wird das Schaltelement auf dem Substrat beweglich.

Es ist außerdem möglich, mit denselben Verfahrensschritten durch Parallelfertigung eine Vielzahl von Aktoren zu gleicher Zeit herzustellen, wenn ein entsprechend großes Substrat und eine Maske mit entsprechend vielen offenen Bereichen einge­ setzt werden. Die fertigen Aktoren brauchen in diesem Fall nur noch vereinzelt und z. B. durch Drahtbonden elektrisch kontak­ tiert werden. Ebenso ist es möglich, mit lithographischen und galvanischen Methoden auf diesem Substrat zugleich oder an­ schließend die durch den Aktor zu bewegenden Elemente wie z. B. Schaltkontakte oder Gewindezahnstangen herzustellen.

Claims (5)

1. Mikromechanischer Aktor mit:

• a) einem eine freie Oberfläche (2) aufweisenden Substrat (1) aus einer Piezokeramik, einem elektro- oder einem magnetostriktiven Material, das sich unter Einwirkung einer angelegten Spannung, eines elektrischen oder eines magnetischen Feldes in einer Richtung (3) verkürzt,
• b) zwei auf der freien Oberfläche (2) des Substrats (1) angebrachten und mit dem Substrat (1) starr verbundenen, zueinander in einem Abstand stehende Ankerblöcken (4), die auf einer Parallelen zu der Richtung (3) liegen,
• c) einem mindestens teilweise flexiblen Schaltelement (5), das an den Ankerblöcken (4) angebracht ist und diese verbindet, jedoch nicht mit der freien Oberfläche (2) des Substrats (1) in Kontakt steht, wobei das Schaltele­ ment (5)
  • - in einer ersten Stellung, die ohne Einwirkung der an­ gelegten Spannung, des elektrischen oder des magneti­ schen Feldes auf das Substrat (1) erreicht wird, im wesentlichen frei von über die Ankerblöcke (4) ein­ wirkenden Kräften ist und
  • - in einer zweiten Stellung, die bei Einwirkung der an­ gelegten Spannung, des elektrischen oder des magneti­ schen Feldes auf das Substrat (1) erreicht wird, in einen gespannten Zustand mit geänderter Form über­ geht.

2. Mikromechanischer Aktor mit:

• a) einem eine freie Oberfläche (2) aufweisenden Substrat (1) aus einer Piezokeramik, einem elektro- oder einem magnetostriktiven Material, das sich unter Einwirkung einer angelegten Spannung, eines elektrischen oder eines magnetischen Feldes in einer Richtung ausdehnt,
• b) zwei auf der freien Oberfläche (2) des Substrats (1) an­ gebrachte und mit dem Substrat (1) starr verbundene, zu­ einander in einem Abstand stehende Ankerblöcke (4), die auf einer Parallelen zu der Richtung liegen,
• c) einem mindestens teilweise flexiblen Schaltelement (5), das an den Ankerblöcken (4) angebracht ist und diese verbindet, jedoch nicht mit der freien Oberfläche (2) des Substrats (1) in Kontakt steht, wobei das Schaltele­ ment (5)
  • - in einer ersten Stellung, die unter Einwirkung der angelegten Spannung, des elektrischen oder des magne­ tischen Feldes auf das Substrat (1) erreicht wird, im wesentlichen frei von über die Ankerblöcke (4) ein­ wirkenden Kräften ist und
  • - in einer zweiten Stellung, die ohne Einwirkung der angelegten Spannung, des elektrischen oder des magne­ tischen Feldes auf das Substrat (1) erreicht wird, in einen gespannten Zustand mit geänderter Form über­ geht.

3. Mikromechanischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Schaltelement (5) die Form eines Bandes aufweist, in der ersten Stellung im wesentlichen auf der Verbindungslinie zwischen den Ankerblöcken (4) liegt und in der zweiten Stellung eine bogenförmige Gestalt annimmt.

4. Mikromechanischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Schaltelement (5) aus drei aneinander angrenzenden Ab­ schnitten (6, 7, 8) besteht, von denen

• - zwei Abschnitte (6, 7) an jeweils einem Ankerblock (4) angebracht sind, jeweils ein dem Ankerblock (4) gegen­ überliegendes Ende (9, 10) aufweisen und auf zueinander in Abstand stehenden Parallelen liegen,
• - der dritte Abschnitt (8) die beiden Enden (9, 10) ver­ bindet und eine über mindestens eines der beiden Enden (9, 10) hinausragende Verlängerung (11) trägt.

5. Mikromechanischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Abstand der Ankerblöcke von weniger als 10 mm.