DE4436008C1

DE4436008C1 - Mikromechanischer Aktor

Info

Publication number: DE4436008C1
Application number: DE4436008A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Feit; Mathias Heckele; Patrick Ruther; Klaus Weindel
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-10-08
Filing date: 1994-10-08
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2014-10-09
Also published as: WO1996011342A1; EP0784754B1; EP0784754A1; DE59502013D1; US6055899A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Ak tor zur Erzeugung von Kräften der Größenordnung einiger mN bis in den Bereich von etwa 100 mN mit Abmessungen im Bereich ei niger 100 µm, mit den Merkmalen im Oberbegriff des Pa tentanspruches.

Mikromechanische Aktoren werden zu den verschiedensten Zwecken eingesetzt, wobei die derzeit erzielbaren Kräfte noch sehr ge ring sind. Die bekannten Aktoren können daher nur für Zwecke verwendet werden, bei denen geringe Kräfte unterhalb des mN- Bereiches ausreichen. Ein derartiger Aktor ist z. B. aus:
Sniegowski, J. J.: "A Micro Actuation Mechanism Based on Liquid Vapor Surface Tension", 7th Intern. Conf. on Solid- State Sensors and Actuators, Yokohama 1993, bekannt. Der Aktor besitzt einen Kolben mit Kolbenstange, der in einem Gehäuse größerer Abmessungen durch eine Dampfblase bewegt wird. Die Abdichtung des Kolbens im Gehäuse erfolgt durch die Oberflä chenspannung der Dampfblasenwand. Der Kolben selbst wird durch zwei an der Kolbenstange seitlich angreifende Blattfedern ge führt und gehalten. Da der Aktor in traditioneller Silizium technologie hergestellt wird, weist er keine Strukturen mit hohem Aspektverhältnis auf. Dies führt zwangsläufig zu gerin gen Zylinderabmessungen und damit auch geometriebedingt neben den Einschränkungen durch die Oberflächenspannung der Dampf blase nur zu geringen erzielbaren Kräften.

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat daher die vorlie gende Erfindung zur Aufgabe, einen mikromechanischen Aktor der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit welchem sich wesent lich höhere Kräfte als mit den bekannten erzielen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil des Pa tentanspruches 1 angeführt sind. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Besonders vorteilhaft ist ein Aktor, der gemäß Patentanspruch 3 her gestellt ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Aktor lassen sowohl große Kräfte bis in Bereiche um 100mN als auch große Stellwege realisieren. Be sonders vorteilhaft ist dabei, daß fluidische Schmierung der bewegten Teile möglich ist.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol genden und anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Aktor von oben gesehen und

Fig. 2 die rasterelektronenmikroskopische Originalaufnahme eines mit LIGA-Technik gefertigten Aktors schräg von oben bei abgenommener Deckplatte.

Der dargestellte Aktor stellt eine bewegliche Mikrostruktur dar, die durch eine Kombination des LIGA-Verfahrens (Röntgen tiefenlithografie mit Galvanoformung und Kunststoffabformung) mit einer Opferschichttechnik hergestellt wird. Diese Herstel lungsmethode ermöglicht es, Mikrostrukturen mit Strukturhöhen bis zu mehreren 100 µm bei lateralen Abmessungen von wenigen µm zu fertigen. Durch die zusätzliche Anwendung der Opfer schichttechnik ist man in der Lage, freibewegliche Teile her zustellen. Das Prinzip der Herstellung wird späterfolgend be schrieben.

Der Aktor besteht im wesentlichen aus einem flachen Gehäuse 1, welches auf einer Substratplatte 2 sitzt und mit ihr fest ver bunden ist. In dem Gehäuse 1 ist ein Kanal 3 vorhanden, in welchem ein axial längsbeweglicher Kolben 4 hin- und herbewegt wird, an dessen einer Seite eine Führungstange 11 und an sei ner anderen Seite eine Kolbenstange 12 befestigt ist, jeweils in Hubrichtung gesehen. Der Kanal 3 mündet mit seinem einen Ende in einer Druckkammer 5, die über eine Bohrung 6 mit einem druckführenden Fluid beaufschlagt wird, welches dadurch von dieser Seite her eine Kraft auf den Kolben 4 ausübt. Diese Bohrung 6 dient neben der Zufuhr auch der Abfuhr des Fluides. Neben dem Kolben 4 bzw. vor und hinter ihm, von der Druckseite aus gesehen, ist jeweils ein Lagerblock 7 und 8 zusammen mit dem Gehäuse 1 ebenfalls auf der Substratplatte 2 befestigt. Die Lagerblöcke 7 und 8 weisen Schlitze 9 und 10 auf, wobei in dem Schlitz 9 die Führungsstange 11 und in dem Schlitz 10 die Kolbenstange 12 gleitet. Dadurch wird der Kolben 4 mittels der Lagerblöcke 7 und 8 in Hub- bzw. Arbeitsrichtung geführt. Da bei sind die Lagerblöcke in ihrer Geometrie (Breite, Lager spiel) so ausgelegt, daß der Kolben nicht verkanten kann. Der Kolben selbst hat dabei eine laterale Ausdehnung von etwa 400 × 450 µm. Die Spaltbreite zwischen Kolben 4 und der Wandung des Kanals 3 beträgt etwa 2µm. Der Kolben 4 sowie die Stangen 11 und 12 im Kanal 3 und in den Schlitzen 9 und 10 werden dabei z. B. mit Silikonöl fluidisch geschmiert.

Die aus dem Lagerblock 8 herausragende Kolbenstange 12 über trägt die vom Kolben 4 erzeugte Kraft nach außen auf nicht mehr dargestellte Elemente. Ein Anwendungszweck ist z. B. das Aufbringen einer Biegekraft auf einen Stab. Die in den Figuren dargestellte Ausführung des Aktors ist nach der Herstellung mittels des LIGA-Verfahrens nach oben offen. Um die Druckkam mer 5 mit dem Kolben 4 sowie den gesamten Aktor nach oben ab zuschließen und einen geschlossenen Druckraum zu erzielen, ist das Gehäuse 1 nach oben durch eine nicht dargestellte Deck platte verschlossen. Diese wird auf dem Gehäuse fest verklebt, wobei die umlaufende Nut 13 ein Einlaufen des Klebers ins In nere des Aktors verhindert. Die Abdichtung des beweglichen Kolbens 4 gegenüber dem Gehäuse 1 und der Kanalwand sowie ge genüber der Deckplatte erfolgt durch fluidische Schmierung, wodurch auch die Reibung des Kolbens 4 im Kanal 3 verringert wird.

Im folgenden werden kurz die Fertigungsschritte des LIGA-Ver fahrens für den Aktor, d. h. für eine bewegliche Mikrostruktur in einem Ausführungsbeispiel beschrieben:
Ausgangspunkt ist eine bis zu mehreren 100 µm dicke strah lungsempfindliche Kunststoffschicht. Dieser sogenannte Resist wird durch direkte Polymerisation auf ein Substrat mit Opfer schicht und Galvanikstartschicht aufgebracht. Die 3-7 µm dicke Opferschicht aus Ti wurde vorstrukturiert, so daß bei der anschließenden, justierten Röntgenbestrahlung die später beweglichen Teile der Mikrostruktur, bei dem oben beschriebe nen Aktor der Kolben 4 mit den Stangen 11 und 12, auf der Op ferschicht zu liegen kommen. Unter den unbeweglichen Berei chen, die mit dem Substrat-verankert sind wie das Aktorgehäuse 1 und die Lagerblöcke 11 und 12, liegt keine Opferschicht.

Die Strukturierung des Resists erfolgt durch justierte Syn chrotonbestrahlung, wobei die hierbei verwendete Maske gegen über der Opferschicht ausgerichtet wird. Die Synchrotonstrah lung hat den Vorteil, daß sie bei kleiner Wellenlänge (0,2 bis 0,5 nm) eine hohe Energiedichte und große Parallelität be sitzt. Dadurch ist es möglich, eine über die gesamte Resist dicke hochpräzise Abbildung der Röntgenmaske zu erzielen. Die Genauigkeit liegt über die gesamte Strukturhöhe im Submikrome terbereich. Bei lateralen Abmessungen der Strukturen im Mikro meterbereich erreicht man ein Aspektverhältnis (d. h. das Ver hältnis von Strukturhöhe zu minimaler lateraler Ausdehnung) von bis zu 100.

Durch die Bestrahlung ändert sich die chemische Zusammenset zung des Resists so, daß bei der anschließenden Entwicklung die bestrahlten Bereiche herausgelöst werden und man ein Nega tiv der gewünschten Struktur erhält. Die so erzeugten Zwi schenräume werden galvanisch mit einem Metall aufgefüllt. Er neutes Bestrahlen ohne Maske zum Entfernen des unbelichteten Resists ergibt die gewünschte Mikrostruktur. Schließlich wird die Ti-Schicht selektiv gegenüber den anderen Materialien weg geätzt, so daß der auf der Opferschicht aufgebaute Teil der Struktur, hier der Kolben 4, frei beweglich ist.

Vor dem letzten Bestrahlungsschritt werden die Mikrostrukturen poliergefräst, um eine glatte Oberfläche zu erzielen, die für das dichte Schließen der Abschlußplatte notwendig ist.

Bezugszeichenliste

1 Aktorgehäuse
2 Substratplatte
3 Kanal
4 Kolben
5 Druckkammer
6 Bohrung
7 Lagerblock
8 Lagerblock
9 Schlitz
10 Schlitz
11 Führungsstange
12 Kolbenstange
13 Nut

Claims

1. Mikromechanischer Aktor zur Erzeugung von Kräften der Größenordnung einiger mN bis in den Bereich von etwa 100 mN mit Abmessungen im Bereich einiger 100 µm, mit den folgen den Merkmalen:

a) einem in einem Kanal beweglichen Kolben, der von der einen Seite her aus einer Druckkammer durch ein druck führendes Medium beaufschlagt wird und der
b) an der anderen Seite eine Kolbenstange zur Abnahme der erzeugten Kraft aufweist, wobei
c) der Kolben mittels Führungselementen in Hubrichtung längsbeweglich geführt ist,

gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

d) der Aktor weist ein flaches Gehäuse (1) auf, welches fest auf einer Substratplatte (2) sitzt und in dem ein Kanal (3) verläuft, in welchem ein axial längsbewegli cher Kolben (4) hin- und herbewegbar ist,
e) der Kanal (3) mündet mit seinem einen Ende in einer Druckkammer (5), die über eine Bohrung (6) mit einem druckführenden Fluid beaufschlagt wird,
f) an der einen Seite des Kolbens (4) ist eine Führungs stange (11) und an seiner anderen Seite eine Kolben stange (12) befestigt,
g) vor und hinter dem Kolben (4) ist, von der Druckseite aus gesehen, jeweils ein Lagerblock (7 und 8) zusammen mit dem Gehäuse (1) ebenfalls auf der Platte (2) be festigt,
h) die Lagerblöcke (7 und 8) weisen Schlitze (9 und 10) zur Führung des Kolbens (4) auf, wobei in dem einen Schlitz (9) die Führungsstange (11) und in dem anderen Schlitz (10) die Kol benstange (12) gleitet,
i) das Gehäuse (1) ist nach oben durch eine Deckplatte ver schlossen.

2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kol ben (4) sowie die Stangen (11 und 12) im Kanal (3) und in den Schlitzen (9 und 10) fluidisch geschmiert werden.

3. Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1), die Lagerblöcke (7 und 8) und der Kolben (4) d. h. die gesamte Struktur des Aktors gemeinsam in den selben Arbeitsgängen auf röntgenlithographischem, röntgen tiefenlithographisch-galvanoplastischem oder auf hiervon abgeleiteten abformtechnischem bzw. abformtechnisch-galva noplastischem Wege auf dem Substrat der Grundplatte herge stellt werden, wobei die mechanische Trennung der bewegli chen Teile dadurch erfolgt, daß in den entsprechenden Be reichen des Substrats zunächst lokal eine Trennschicht auf gebracht wird, die zum Schluß ätztechnisch wieder entfernt wird.