DE4234237C2 - Temperaturkompensierter Mikroaktor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Mikroaktor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der US 50 58 856 ist ein Mikroventil mit einem als Biegeelement ausgestalteten Mikroaktor bekannt, wobei auf dem Biegeelement ein Kraftelement angeordnet ist, dessen Länge sich relativ zum Biegeelement aufgrund einer Erwärmung ändert. Aus einem Artikel von Satchell und Greenwood (Zeitschrift: Sensors & Actuators 17, 1989, Seite 241 bis 245) ist ein frequenzanaloger Beschleunigungssensor, der aus drei Balken aufgebaut ist, bekannt. Der mittlere Balken wird thermomechanisch zu Schwingungen angeregt und stellt so ebenfalls einen Mikroaktor dar. Aus einem Artikel von Petersen (Proceedings of the IEEE, Vol. 70, No. 5, May 1992, Seite 420 bis 457) ist ein Mikroaktor in Form einer Mikropumpe als Antrieb für eine Tintenstrahldüse bekannt. Wie die Fig. 21 auf der Seite 433 zeigt, ist dazu ein piezoelektrisches Kristall als Kraftelement auf einer Membran aufgebracht. Aus der deutschen Patentanmeldung 42 20 226 sind magnetostriktive Kraftelemente auf Biegeelementen bekannt.

Aus der DE 30 17 859 A1 ist eine Vorrichtung zur Kompensation von temperaturbedingten Messfehlern bekannt. Dabei wird der Angriffspunkt einer Kraft mit der Temperatur verschoben.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Mikroaktor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die durch eine Änderung der Umgebungstemperatur verursachte Kraftwirkung des Kraft­ elements auf das Biegeelement durch das Kompensationselement kompen­ siert wird. Durch diese Maßnahme werden Stellbewegungen des Biege­ elementes aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur verhindert bzw. stark verringert. Diese Mikroaktoren können daher in einem be­ sonders weiten Temperaturbereich genutzt werden. Dabei zeigen die Biegeelemente über den gesamten Temperaturbereich die gleiche Kenn­ linie und es müssen keinerlei Maßnahmen getroffen werden, die Tempe­ ratur des Biegeelements konstant zu halten.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Mikroaktors möglich. Besonders einfach wird das Biege­ element derart ausgeführt, daß es Randbereiche und Mittelbereiche aufweist, daß mindestens zwei gegenüberliegende Randbereiche in einem starren Rahmen eingespannt sind, und daß Kraftelement und Kompensationselement jeweils nur in einer Art von Bereich, entweder Mittelbereich oder Randbereich gelegen sind. Durch eine Versteifung des Mittelbereichs wird in der Mitte des Biegeelements ein Bereich geschaffen, der sich als ganzes einheitlich bewegt und daher beson­ ders geeignet ist, die Stellbewegung des Mikroaktors zu nutzen. Ein typischer Anwendungsfall für eine solche Versteifung wäre beispiels­ weise der Ventilsitz eines Mikroventils. In einer einfachen Aus­ führungsform ist das Biegeelement als Biegebalken oder Membran aus­ gebildet. Durch mehrfache Biegebalken oder Membranen werden die Gestaltungsmöglichkeiten von Mikroaktoren vergrößert. Werden dabei einzelne Biegebalken oder Membranen jeweils nur mit Kraft- oder Kompensationselementen versehen, so können die jeweiligen Biege­ balken oder Membranen für ihren speziellen Anwendungszweck ausgelegt werden. Besonders einfach lassen sich geeignete Biegeelemente aus einkristallinem Silizium herstellen. Die Länge des Kraftelementes läßt sich besonders einfach aufgrund des magnetostriktiven Effekts, des piezoelektrischen Effekts oder aufgrund einer thermisch verur­ sachten Längenänderung ändern. Besonders vorteilhaft lassen sich die erfindungsgemäßen Mikroaktoren zum Antrieb eines Mikroventils, einer Mikropumpe oder eines frequenzanalogen Sensors verwenden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Biegeelement, Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Biegebalken, Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Membran, Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Biegeelement mit einer Versteifung im Mittelbereich und Fig. 5 einen Querschnitt durch ein Biegeelement mit mehrfachem Biegebalken oder mehrfacher Membran.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein Biegeelement 1 mit einem darauf aufgebrachten, im Mittelbereich 5 gelegenen Kraft­ element 2 und im Randbereich 4 gelegenen Kompensationselementen 3 gezeigt. Das Biegeelement 1 ist mit den Randbereichen 4 in einem Rahmen 6 fest eingespannt. Das Biegeelement 1 und der Rahmen 6 sind aus einer Siliziumplatte 11 durch eine Ausnehmung 12 heraus­ strukturiert.

Das Kraftelement 2 und die Kompensationselemente 3 können ihre Länge, d. h. ihre Ausdehnung parallel zur Oberfläche des Biege­ elements 1, relativ zur Länge des Biegeelements 1 ändern. Mit den Längenänderungen des Kraftelementes 2 und der Kompensationselemente 3 ist eine Bewegung des Biegeelementes 1 nach oben, wie durch Pfeil 20 angedeutet, bzw. nach unten, wie durch Pfeil 21 angedeutet, ver­ bunden. Mit einer Verlängerung des Kraftelements 2 ist eine Bewegung des Biegeelements 1 nach oben verbunden. Mit einer Verkürzung des Kraftelementes 2 ist eine Bewegung des Biegeelementes 1 nach unten verbunden. Mit einer Verlängerung der Kompensationselemente 3 ist eine Bewegung nach unten verbunden. Mit einer Verkürzung der Kompen­ sationselemente 3 ist eine Bewegung des Biegeelements 1 nach oben verbunden. Bei gleichzeitiger Vergrößerung der Länge des Kraft­ elementes 2 und der Kompensationselemente 3 wirken die Kraft­ wirkungen auf das Biegeelement 1 gerade entgegengesetzt, so daß bei entsprechender Auslegung des Kraftelementes 2 und der Kompensations­ elemente 3 keine oder nur eine geringe Bewegung des Biegeelements 1 erfolgt. Entsprechendes gilt bei einer gleichzeitigen Verringerung der Länge des Kraftelementes 2 und der Kompensationselemente 3. Der­ artige Längenänderungen von Kraftelement 2 und Kompensations­ elementen 3 treten beispielsweise auf, wenn beide aus einem Material bestehen, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Biegeelementes 1 aufweisen und es zu einer gleich­ zeitigen Erwärmung oder Abkühlung des Biegeelements 1, des Kraft­ elementes 2 und der Kompensationselemente 3 kommt. Dies ist z. B. bei einem Biegeelement 1 aus Silizium und metallischen Materialien für das Kraftelement 2 und die Kompensationselemente 3 gegeben. Durch die hier gezeigte Anordnung des Kraftelementes 2 und der Kompen­ sationselemente 3 auf dem Biegeelement 1 wird somit eine Bewegung des Biegeelementes 1 bei einer Änderung der Umgebungstemperatur verhindert bzw. verringert. Die durch eine Änderung der Umgebungstemperatur verursachte Kraft­ wirkung von Kraftelement 2 und Kompensationselementen 3 auf das Biegeelement 1 hängt von der Dicke, der Fläche und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kraftelement 2 und Kompensations­ elementen 3 ab. Dabei können unterschiedliche Materialien für das Kraftelement 2 und das Kompensationselement 3 verwendet werden. Die Dicke, die Fläche und der thermische Ausdehnungskoeffizienten von Kraftelement 2 und Kompensationselementen 3 müssen ggf. empirisch optimiert werden.

Weiterhin ist es möglich, die Positionen von Kraftelement 2 und Kompensationselementen 3 zu vertauschen, d. h. Kraftelemente in den Randbereich 4 und Kompensationselemente in den Mittelbereich 5 zu legen. In diesem Fall müßten bei der Auslegung des Mikroaktor nur die nun geänderten Bewegungsrichtungen des Biegeelementes 1 be­ rücksichtigt werden.

Die Länge des Kraftelementes 2 ist unabhängig von der Länge der Kompensationselemente 3 änderbar, d. h. das Biegeelement 1 kann durch entsprechende Steuerung der Länge des Kraftelementes 2 bewegt werden. Mögliche Effekte, mit denen die Länge des Kraftelementes 2 geändert werden kann, sind beispielsweise der magnetostriktive Effekt, der piezoelektrische Effekt und eine thermisch bedingte Längenänderung.

Aus der deutschen Patentanmeldung 42 20 226 sind bereits dünne magnetostriktive Schichten bekannt, die auf Biegeelementen aufge­ bracht sind. Bei der Verwendung einer solchen Schicht für das Kraft­ element 2 besteht das Kraftelement 2 aus einer magnetostriktiven Terbium-Dysprosium-Eisen-Legierung und ist im Magnetfeld einer Spule angeordnet. Wenn durch die Spule ein Strom fließt, ändert sich die Länge des Kraftelementes 2 und es erfolgt eine Bewegung des Biege­ elementes 1. In diesem Fall bestehen die Kompensationselemente 3 aus anderen Metallen, die keinen magneto­ striktiven Effekt zeigen und sind in ihrer Fläche, Dicke und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten so angepaßt, daß sie gerade die durch eine Änderung der Umgebungstemperatur verursachte Kraftwirkung des Kraftelementes 2 auf das Biegeelement 1 kompensieren.

Aus dem Artikel von Petersen ist die Verwendung von piezoelektri­ schen Materialien auf Biegeelementen bekannt. Für den Fall weist das Kraftelement 2 auf der Oberseite und auf der Unterseite eine Elek­ trode auf, durch die beim Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld im piezoelektrischen Material des Kraftelements 2 erzeugt werden kann. Ein typisches Material für ein piezoelektrisches Kraft­ element 2 wäre beispielsweise Zinkoxid. Die untere Elektrode kann auch durch ein entsprechend dotiertes Biegeelement 1 aus Silizium gebildet werden. Hier bestehen die Kompensationselemente 3 ebenfalls aus piezoelektrischen Schichten, die derart ausgelegt sind, daß bei gleichzeitiger Erwärmung des piezoelektrischen Kraftelementes 2 und der Kompensationselemente 3 keine oder nur eine vernachlässigbare Auslenkung des Biegeelementes 1 bewirkt wird. Im Falle von frequenz­ analogen (d. h. resonanten) Sensoren für Kraft, Druck, Beschleunigung etc. dient das Kraftelement 2 zur Anregung resonanter Schwingungen und das Kompensationselement 3 wird zum Abgriff des Sensorsignals genutzt. Die beschriebene Spannungskompensation führt dazu, daß das Sensorsignal nur sehr schwach auf Änderungen der Umgebungstemperatur reagiert.

Aus der US 5 058 856 ist die Verwendung eines Kraftelementes be­ kannt, das aufgrund seiner thermischen Ausdehnung arbeitet. Dazu ist in unmittelbarer Nähe des Kraftelementes ein Heizelement angeordnet, so daß das Kraftelement beheizt werden kann. Bei der Verwendung dieses Prinzips für den hier gezeigten Mikroaktor muß sichergestellt werden, daß durch das Heizelement das Kraftelement 2 stärker erwärmt wird als die Kompensationselemente 3. Dies kann bei­ spielsweise durch Anordnung des Heizelements direkt in unmittelbarer Nähe, d. h. auf bzw. unter dem Kraftelement 2 erfolgen, wobei die in den Nähe des festen Rahmens 6 gelegenen Kompensationselemente 3 im wesentlichen die Temperatur des Rahmens 6 beibehalten.

Die hier gezeigten Biegeelemente 1 mit Kraftelement 2 und Kompen­ sationselementen 3 lassen sich in Mikroventilen wie in der US 5 058 856, Mikropumpen wie im Artikel von Petersen oder frequenz­ analogen Sensoren wie im Artikel von Satchell verwenden. Die jeweils in diesen Literaturstellen gezeigten Biegeelemente werden dazu ein­ fach durch ein Biegeelement der vorliegenden Art ersetzt. Im Falle piezoelektrischer Aktoren kann die Stellbewegung des Biegewandlers aufgrund der Wirkung des Kraftelements 2 dadurch vergrößert werden, daß an das Kompensationselement 3 eine Betriebsspannung angelegt wird, deren Polarität derjenigen vom Kraftelement 2 entgegengesetzt ist. Besonders günstig ist dabei, daß die hier vorgestellte Methode zur Kompensation der Umgebungstemperatur besonders einfach ist und sich daher für die Verwendung in Mikroventilen, Mikropumpen und frequenzanalogen Sensoren eignet, da bei diesen andere Methoden zur Kompensation der Umgebungstemperatur nur schwer verwendet werden können. Die Designmöglichkeiten von Mikroaktoren, insbesondere von Mikroaktoren aus Silizium, sind nämlich aufgrund der außerordent­ lichen Kleinheit der Bauteile und der vorwiegenden Verwendung von Methoden, wie sie aus der Halbleiterherstellung bekannt sind, außer­ ordentlich begrenzt. Die hier beschriebenen Methoden zur Kompen­ sation des Temperatureinflusses sind jedoch nicht nur auf Mikro­ aktoren aus Silizium beschränkt, sondern sind für alle Mikroaktoren anwendbar.

In der Fig. 2 ist in einer Aufsicht eine Ausgestaltung des Biege­ elementes als Biegebalken 8 gezeigt. Ein Längsschnitt durch diese Figur würde wieder der Fig. 1 entsprechen. Auf dem Biegebalken 8 sind im Mittelbereich das Kraftelement 2 und in den Randbereichen die Kompensationselemente 3 gelegen. Der Biegebalken 8 ist an beiden Seiten im Rahmen 6 eingespannt.

In der Fig. 3 ist die Ausgestaltung des Biegeelements als Biege­ membran 9 gezeigt. Die Biegemembran 9 ist in ihrem gesamten Umfang im Rahmen 6 eingespannt. Das Kraftelement 2 ist im Mittelbereich der Biegemembran 9 und das Kompensationselement 3 im Randbereich der Biegemembran 9 angeordnet. Auf dieselbe Art können auch andere Mem­ branformen, wie beispielsweise runde Membranen ausgeführt werden.

In der Fig. 4 ist ein Biegeelement 1 gezeigt, das in seinem Mittel­ bereich 5 eine Versteifung 7 aufweist. An beiden gegenüberliegenden Rändern der Versteifung 7 sind auf der Oberseite des Biegeelements 1 zwei Kraftelemente 2 angeordnet. Im Randbereich 4 des Biegeelements 1 sind in der Nähe des Rahmens 6 zwei Kompensationselemente 3 ange­ ordnet. Das hier gezeigte Biegeelement arbeitet in äquivalenter Weise wie das Biegeelement aus der Fig. 1. Bei symmetrischer Arbeitsweise der beiden Kraftelemente 2 erfolgt die Bewegung der Versteifung 7 derart, daß die Oberfläche der Versteifung 7 immer parallel zur Oberfläche des Rahmens 6 bleibt. Eine solche Ver­ steifung kann daher besonders gut genutzt werden, um die Bewegung des Mikroaktors beispielsweise in einem Mikroventil zu verwenden. Eine ähnliche Versteifung wird beispielsweise im Mikroventil nach US 5 058 856 gezeigt.

In der Fig. 5 ist ein Biegeelement 1 gezeigt, das aus einer Mehr­ fachanorndung von Biegebalken 10 aufgebaut ist. Auf die gleiche Weise ist ein Biegeelement 1 mit einer Mehrfachanordnung von Membranen vorstellbar. Jeder der Biegebalken 10 weist eine Ver­ steifung 7 auf, die miteinander fest verbunden sind, so daß die Bewegungen der Biegebalken 10 nicht unabhängig voneinander erfolgen kann. Ebenso sind die Rahmen 6 fest miteinander verbunden. Auf dem einen Biegeelement 10 sind Kraftelemente 2 im Mittelbereich jeweils im Randbereich der Versteifung 7 angeordnet. Auf dem anderen Biege­ element 10 sind Kompensationselemente 3 im Randbereich des Biege­ elementes 10 angeordnet. Durch diese Anordnung wird wieder erreicht, daß die Kraftwirkung der Kraftelemente 2 und die Kraftwirkung der Kompensationselemente 3 einander bei einer Änderung der Umgebungs­ temperatur aufheben. Ansonsten entspricht die Wirkungsweise dieses Biegeelementes 1 der des Biegeelementes 1, wie es in der Fig. 1 beschrieben wurde. Der hier gezeigte Aufbau des Biegeelementes 1 durch mehrere Biegebalken 10 erlaubt es, für jeden der Biegebalken 10 einen eigenen Herstellungsprozeß zu verwenden, der daran angepaßt ist, ob ein Kraftelement 2 oder ein Kompensationselement 3 auf dem Biegebalken 10 angeordnet ist. Die Herstellung aller in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Mikroaktoren erfolgt durch Strukturierung von Siliziumplatten 11. Dabei werden auf der Oberseite der Silizium­ platten 11 Strukturen für die Kraftelemente 2 bzw. die Kompen­ sationselemente 3 hergestellt. Dies erfolgt durch übliche Methoden der Dünnschicht- oder Dickfilmtechnik, wie beispielsweise dem Auf­ dampfen oder Aufsputtern von dünnen Schichten oder dem Siebdruck von Dickschichten. Weiterhin werden in die Unterseite der Siliziumplatte 11 Ausnehmungen 12 angebracht, durch die die Biegeelemente 1 definiert werden. Dies erfolgt in der Regel durch anisotrope Ätz­ techniken. Die Tiefe der Ausnehmung 12 kann durch einen zeitlich gesteuerten Ätzvorgang oder durch Ätzstopschichten erfolgen. Die Verwendung von Mehrfachbalkenstrukturen, wie es in der Fig. 5 ge­ zeigt wird, erlaubt es, die Kraftelemente 2 bzw. den Kompensations­ elemente 3 jeweils auf separaten Siliziumplatten 11 zu erzeugen, die anschließend durch einen sog. Bondprozeß miteinander verbunden werden. Es können dabei dann jeweils optimierte Prozesse für die Herstellung der Kraftelemente 2 bzw. der Kompensationselemente 3 verwendet werden.

Weiterhin ist die hier gezeigte Anordnung von Kraftelementen 2 und Kompensationselementen auf nur einer Seite der Siliziumplatten 11 besonders an die Herstellungsmethoden der Siliziumtechnologie ange­ passt. Andere Methoden zur Temperaturkompensation, wie beispiels­ weise das Aufbringen von Kraftelementen auf der Oberseite und Kom­ pensationselementen auf der Unterseite lassen sich nämlich nur schwer in Siliziumtechnologie verwirklichen.

Wenn das Kraftelement 2 aufgrund seiner thermischen Ausdehnung arbeitet, so muß ein Temperaturunterschied zwischen dem Kraftelement 2 und dem Kompensationselement 3 gewährleistet sein. Ein solcher Temperaturunterschied läßt sich viel einfacher realisieren, wenn das Kraftelement und das Kompensationselement 3 auf verschiedenen Biege­ balken 10 angeordnet sind.

Claims (9)

1. Mikroaktor mit einem Biegelement, wobei auf dem Biegelement (1) mindestens ein Kraftelement (2), dessen Länge relativ zum Biegelement (1) änderbar ist, angeordnet ist, wobei das Kraftelement (2) durch eine Längenänderung eine Kraft auf das Biegelement (1) ausübt und so eine Verbiegung des Biegeelements bewirkt, wobei das Biegelement (1) und das Kraftelement (2) unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kompensationselement (3) mit einem vom Biegelement (1) verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf dem Biegeelement (1) derart angeordnet ist, daß eine Ausdehnung des Kompensationselements (3) eine Kraftwirkung auf das Biegelement bewirkt, und daß die durch eine Änderung der Umgebungstemperatur verursachte Kraftwirkung von Kompensationselement (3) und Kraftelement (2) auf das Biegeelement (1) einander näherungsweise kompensieren.

2. Mikroaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (1) Randbereiche (4) und Mittelbereiche (5) aufweist, daß das Biegeelement (1) an seinen mindestens zwei einander gegen­ überliegenden Randbereichen (4) in einem starren Rahmen (6) einge­ spannt ist, daß zwischen den Randbereichen (4) ein Mittelbereich (5) angeordnet ist, und daß das Kraftelement (2) in einem Randbereich (4) und das Kompensationselement (3) in einem Mittelbereich (5) oder das Kraftelement (2) in einem Mittelbereich (5) und das Kompen­ sationselement (3) in einem Randbereich (4) angeordnet ist.

3. Mikroaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelbereich (5) eine Versteifung (7) aufweist, und daß das Kraft­ element (2) oder das Kompensationselement (3) im Mittelbereich (5) am Rand der Versteifung (7) angeordnet sind.

4. Mikroaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Biegeelement (1) als Biegebalken (8) oder Biegemembran (9) ausgebildet ist.

5. Mikroaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Biegeelement (1) als mehrfacher Biegebalken (10) oder mehrfache Membran (10) ausgebildet ist, welche miteinanderver­ bunden sind.

6. Mikroaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegebalken (10) oder Biegemembranen (10) jeweils nur Kraftelemente (2) oder Kompensationselemente (3) aufweisen.

7. Mikroaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Biegeelement (1) aus einer einkristallinen Siliziumplatte (11) herausstrukturiert ist.

8. Mikroaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Länge des Kraftelements (2) aufgrund des magnetostriktiven Effekts, des piezoelektrischen Effekts oder auf­ grund einer thermisch verursachten Längenänderung, änderbar ist.

9. Mikroaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mikroaktor zum Antrieb eines Mikroventils, einer Mikropumpe oder eines frequenzanalogen Sensors verwendet wird.