DE19549353A1 - 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.

Solche Komponenten werden außerdem in der DE 42 20 226 A1 be­ schrieben.

Aus der DE 38 25 587 A1 ist ein piezoelektrischer Linearmotor bekannt. Ein Teil dieses Linearmotors besteht aus einem Sub­ strat aus einem piezoelektrischen Material mit einer freien Oberfläche, auf der zwei starr mit der freien Oberfläche ver­ bundene und zueinander in einem Abstand stehende Ankerblöcke vorgesehen sind. Die Ankerblöcke liegen auf einer Parallelen zur Richtung des piezoelektrischen Effekts. Der Linearmotor weist außerdem Klemmteile auf, die freitragend auf den Anker­ blöcken angebracht sind und sich beim Anlegen einer Spannung an das Substrat in ihrer Form verändern.

Eine piezoelektrische Mikro-Positioniereinrichtung wird in der DE 38 33 091 A1 beschrieben. Diese Einrichtung besteht aus ei­ nem piezoelektrischen Positionierelement, das sich zwar auf mindestens einen Abstandshalter stützt, ansonsten jedoch in Abstand zu dem Substrat steht, das den Abstandshalter trägt.

Aus der DE 36 03 022 geht ein piezoelektrisches Relais hervor, bei dem zwei parallel in einen Grundkörper eingespannte, pie­ zoelektrische Längswandler vorgesehen sind. Wird nur ein Längswandler an Spannung gelegt, so biegen sich beide Längs­ wandler. Diese Biegung wird über einen Betätigungshebel an eine Knickfeder übertragen.

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.

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

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-xFey).

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 oder nicht.

Als Betätigungseinrichtung des Aktors dient ein zumindest teilweise flexibles Betätigungselement, das ausschließlich an den Ankerblöcken befestigt ist, die freie Oberfläche des Sub­ strats jedoch nicht berührt. Stehen die Ankerblöcke in dem größeren Abstand zueinander, ist das Betätigungselement im we­ sentlichen frei von Kräften, die über die Ankerblöcke einwir­ ken. Werden die Ankerblöcke dagegen in einen kleineren Abstand zueinander gebracht, geht das Betätigungselement in einen ge­ spannten Zustand mit geänderter Form über.

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 Betätigungsele­ ments ab.

Auch für das Betätigungselement bestehen hinsichtlich der Wahl des Materials prinzipiell keine Einschränkungen. Es muß jedoch zumindest 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 Betätigungselement aus demsel­ ben Material, wobei die Materialstärke des Betätigungselements im Verhältnis 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 Betätigungselement in einen gespannten Zustand mit gegen­ über 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 Einwirkung. Die umgekehrten Verhältnisse liegen hinsichtlich der ersten Stellung vor.

Beim erfindungsgemäßen Aktor stellt das Betätigungselement einen streifenförmigen, dünnen Quader dar; es hat damit die Form eines Bandes. Stehen die Ankerblöcke in dem größeren Ab­ stand zueinander, können die breiten Seitenflächen des band­ artigen Betätigungselements im wesentlichen parallel oder senkrecht zur Oberfläche des Substrats verlaufen. Diese Stel­ lung des Aktors wird als erste Stellung bezeichnet. In dieser Stellung befindet sich das Band im wesentlichen auf der Verbindungslinie zwischen den beiden Ankerblöcken.

Wird der Abstand zwischen den Ankerblöcken verringert, wölbt sich das Betätigungselement auf. Die Stellung, die der Aktor hierbei einnimmt, wird als zweite Stellung bezeichnet. Die Richtung, in der sich die Wölbung vollzieht, liegt parallel zur Oberfläche des Substrats, wenn die breiten Seitenflächen des Betätigungselements senkrecht zur Oberfläche des Substrats verlaufen. Da sich das Betätigungselement hierbei über die Oberfläche des Substrats bewegt, ist sicherzustellen, daß die Oberfläche frei ist und die Wölbung des Betätigungselements nicht behindert. Liegen die Seitenflächen parallel zur Ober­ fläche des Substrats, wölbt sich das Betätigungselement hierzu senkrecht. Mit dem Scheitel der Wölbung lassen sich weitere Komponenten wie z. B. Betätigungselemente oder Betätigungshe­ bel bewegen.

Liegt das streifenförmige Betätigungselement exakt auf einer Ebene, hängt die Seite, auf die es sich beim Anlegen einer Spannung bogenförmig aufwölbt, vom Zufall ab. Ein solcher Ak­ tor ist technisch nicht sinnvoll einsetzbar. Es muß daher sichergestellt werden, daß die Seite der Wölbung vorherbe­ stimmbar ist.

Im einfachsten Fall wird dies dadurch erreicht, daß das Betä­ tigungselement auch bei dem kleinen Abstand der Ankerblöcke minimal gewölbt ist. Eine minimale Wölbung läßt sich bei der Herstellung mit mikrostrukturtechnischen Verfahren auf einfa­ che Weise vorsehen; sie stellt sicher, daß das Betätigungsele­ ment ausschließlich zwei definierte Stellungen einnimmt. Al­ ternativ hierzu kann das Betätigungselement etwa durch La­ serablation in der Mitte oder an seinen den Ankerblöcken be­ nachbarten Enden mit solchen Einkerbungen versehen werden, die eine Auslenkung in eine einzige vorherbestimmte Richtung be­ wirken.

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 Betätigungselemente zu betätigen. Zu diesem Zweck kann der Aktor beispielsweise mit einem bandförmigen Betätigungselement versehen werden, das exakt in einer Ebene senkrecht zur Substratoberfläche ausge­ richtet ist und aus einem ferromagnetischen Material besteht, wobei gegenüber der Mitte des Betätigungselements zwei elek­ trische Spulen auf dem Substrat angeordnet sind. Wird eine der beiden Spulen von Strom durchflossen, bewirkt sie eine mini­ male Auslenkung des streifenförmigen Betätigungselements auf die entsprechende Seite, so daß auch die Richtung seiner Wöl­ bung vorgegeben ist, wenn der Abstand zwischen den Anker­ blöcken verkürzt wird.

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 Betätigungselement parallel zur Substratoberfläche auf­ weist, wird die Schicht des Kunststoffs mit Licht bestrahlt. Die bestrahlten Bereiche des Kunststoffs werden durch Entwickeln entfernt. Anschließend wird der entwickelte Bereich galvanisch mit einem beim folgenden Verfahrensschritt nicht ätzbaren Metall ausgefüllt, wobei die teilweise freigelegte, darunterliegenden elektrisch leitenden Schichten als Elektro­ den und die verbleibende Kunststoffschicht als Form dienen. Nach Entfernen der verbleibenden Kunststoffschicht kann die selektiv ätzbare Metallschicht ohne einen Angriff der elek­ trisch leitenden Schicht und des galvanisierten Metalls ent­ fernt werden. Hierdurch wird das Betätigungselement 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 (2)

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 Betätigungselement (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 Betä­ tigungselement (5)
  • - die Form eines Bandes aufweist,
  • - 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 im wesentlichen auf der Verbindungslinie zwischen den Ankerblöcken liegt,
  • - 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 übergeht und eine bogenför­ mige Gestalt annimmt.

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 Betätigungselement (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 Betä­ tigungselement (5)
  • - die Form eines Bandes aufweist,
  • - 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 im wesentlichen auf der Verbindungslinie zwischen den Ankerblöcken liegt,
  • - 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 übergeht und eine bogenför­ mige Gestalt annimmt.