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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wandler-Mikrosysteme und Montageverfahren hierfür, und insbesondere
Wandler-Mikrosysteme mit elektromechanischen Wandlerbauteilen, die
in einer flexiblen Weise integriert sind.
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Stand der
Technik
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Mikrosysteme
werden nachfolgend als Systeme von Bauteilen mit einer Größenordnung
von Zentimetern oder kleiner betrachtet. Wandler sind Bauteile oder
Vorrichtungen, die eine Energieform in eine andere umwandeln. Normalerweise
werden Wandler in Stellglieder und Sensoren unterteilt, auch wenn
es viele gibt, die sowohl als Sensoren und als Stellglieder funktionieren.
Ein Sensor wandelt einen externen Anreiz in eine andere, nutzbare
Energieform, vorzugsweise ein elektrisches Signal, um. Ein Stellglied
macht im Wesentlichen das Gegenteil. Ein Signal, vorzugsweise ein
elektrisches, wird in eine andere, nutzbare Energieform umgewandelt. Unter
die nutzbaren Energieformen oder externen Anreize können mechanische,
akustische, elektrostatische, elektromagnetische, magnetische, optische,
thermische, biologische, biomedizinische, medizinische, chemische
und atomare Energie fallen. Ein elektromechanischer Wandler ist
somit ein Stellglied, das ein elektrisches Signal in eine mechanische
Bewegung umwandelt, und/oder ein Sensor, der eine mechanische Bewegung
in ein elektrisches Signal umwandelt. Abhängig von der Anwendung können die
Energieformen weiter unterteilt werden, z. B. werden mechanische
Wandler typischerweise in Untergruppen unterteilt, wie piezoelektrisch,
elektrostriktiv, Formgedächtnis,
Trägheits-
oder Resonanzeffekte.
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Beispiele
für Wandler-Mikrosysteme
sind z. B. piezoelektrische Mikromotoren, Tintenstrahl-Druckköpfe, Beschleunigungsmesser
und Drucksensoren, die mit ihren integrierten Schaltkreisen montiert
sind. Ein Wandler-Mikrosystem besteht normalerweise aus einer Anzahl
von Mikrobauteilen, wie z. B. elektronische Bauteile, mikromechanische Bauteile,
elektromechanische Bauteile, elektrische Leitungen, Verbinder, Strukturelemente
usw. Die Herstellung eines Mikrosystems umfasst deshalb normalerweise
die Montage einer Vielzahl von Teilen, wobei die meisten davon sehr
klein sind. Monolithische Mikrobauteile werden normalerweise zu
einer Baugruppe montiert und danach in einer oder mehreren Schichten
von Trägern
zusammengebaut. Die mechanische und elektrische Montage von sehr
kleinen Teilen ist eine technisch anspruchsvolle Sache, insbesondere
wenn Zeit, und dadurch Produktionskosten, und Raum begrenzt sind.
Ein üblicher
Nachteil aus kommerziellen Gesichtspunkten ist somit, dass die Montagetechniken
der Systeme ein technisches Haupthindernis werden.
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Eine
große
Anzahl von Mikrosystemen ist heute verfügbar, und die allgemeine Entwicklung geht
dahin, die Größe derselben
weiter zu verringern. Die obigen Montageprobleme werden dadurch
noch mehr hervorgehoben, da Bauteile, die zum Verbinden verschiedener
Teile dienen, die Gesamtgröße des Systems
vergrößern. Ein
Weg, dieses Problem zu reduzieren, ist in dem Wunsch ausgedrückt, die Gesamtanzahl
von Bauteilen zu verringern und so viele Funktionen wie möglich in
jedem Bauteil zu vereinen. Ein Vorgang zur Endmontage wird jedoch
immer übrig
bleiben.
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Ein
Wandler-Mikrosystem gemäß dem Stand der
Technik umfasst normalerweise eine Anzahl von Wandlerbauteilen,
die an einem Hauptbauelement befestigt sind. Ein typisches Beispiel
ist z. B. der Aufprallsensor SA30, hergestellt von SensoNor a.s., Norwegen.
Ein weiteres Beispiel ist in „Packaging
of Pressure Sensor Chips for Mircosystems Applications: Technology
and Test", von A.
Götz, C.
Cané,
A. Morrissey und J. Alderman, Vorgänge des 9. Micromechnics Europe
Workshops, NME 98, Seiten 272–275,
zu finden. Um zu funktionieren, müssen Wandlerbauteile normalerweise
gegen interne oder externe Kräfte
im System gedrückt
oder gestützt
werden. Der Träger
und/oder die Baugruppe dient als Hauptbauelement im System. In dem
Fall eines elektromechanischen Motors z. B. muss eine interne Druckkraft
vorhanden sein. Die Druckkraft verursacht eine Reibungskraft, durch
welche das bewegliche Teil bewegt werden kann.
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Das
Hauptbauelement dient somit verschiedenen Zwecken. Das Hauptbauelement
soll die Bauteile in Bezug auf einige Bezugspunkte in Position halten.
Das Hauptbauelement soll außerdem
die Bauteile gegen externe Kräfte
stützen,
die Bauteile gegen mechanischen Schaden schützen und als ein allgemeines
Gehäuse
dienen. Das Hauptbauelement bietet auch häufig ein Befestigungselement
für das gesamte
System, das mechanisch mit anderen Systemen verbunden werden soll,
d. h. einen mechanischen Verbindungspunkt oder mechanische Verbindungspunkte.
Für Mikrosysteme
liefert das Hauptbauelement normalerweise auch interne Kräfte zwischen
verschiedenen Teilen des Systems, wie oben beschrieben. Das Wandler-Mikrosystem
umfasst ferner elektrische Verbinder, Drähte und Elektronikteile, welche
die Wandlerbauteile unterstützen.
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Ein
allgemeines Problem mit Mikrosystemen gemäß dem Stand der Technik ist,
dass die Montage zeitaufwändig
und technisch schwierig ist und die Gesamtgröße des Systems vergrößert. Mikrosysteme
gemäß dem Stand
der Technik haben außerdem Probleme
hinsichtlich Toleranzen, Montagepräzision und Einstellmöglichkeiten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Anzahl der Bauteile,
die für
eine Montage eines Wandler-Mikrosystems nötig sind, zu verringern. Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein effizienteres
und flexibleres Montageverfahren zur Verfügung zu stellen, das gleichzeitig
eine hohe Präzision
ermöglicht.
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Die
obigen Ziele werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den beigefügten Ansprüchen 1 bzw.
19 erreicht. Ein elektromechanischer Mikromotor mit einem Wandlersystem
ist in Anspruch 17 definiert. Allgemein gesagt, nutzt die vorliegende
Erfindung eine flexible Leiterplatte, nicht nur als Montageträger für elektronische
Bauteile und elektrische Leitungen, sondern auch zum mechanischen
Stützen
verschiedener Bauteile sowie als Hauptbauelement für das gesamte
Mikrosystem. Alle für
ein Mikrosystem nötigen
Bauteile können
mechanisch auf einer flexiblen Leiterplatte befestigt werden, die
schließlich
zu einer geforderten endgültigen
Form elastisch verformt wird. Bei der Endform wird die Elastizität der flexiblen
Leiterplatte genutzt, um elastische Kräfte auf ausgewählte Wandlerbauteile
des Mikrosystems aufzubringen.
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In
bevorzugten Ausführungsbeispielen
wird die flexible Leiterplatte mit geometrischen Strukturen versehen,
die zum Feststellen und/oder Einstellen der endgültigen Verformung der flexiblen
Leiterplatte genutzt werden können.
Die mechanische Befestigung der Bauteile für das Mikrosystem an einer
flexiblen Leiterplatte findet vorzugsweise dann statt, wenn sich
die flexible Leiterplatte in einem im Wesentlichen zweidimensionalen
Zustand befindet, wobei eine endgültige Form des Mikrosystems
durch Verformen der flexiblen Leiterplatte erreicht wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung, zusammen mit ihren weiteren Zielen und Vorteilen, wird
am besten verständlich
aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1a eine
schematische Ansicht einer flexiblen Leiterplatte ohne montierte
Bauteile ist;
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1b eine
schematische Ansicht einer flexiblen Leiterplatte gemäß der vorliegenden
Erfindung mit montierten Bauteilen ist;
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1c eine
schematische Ansicht einer teilweise verformten flexiblen Leiterplatte
gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
schematische Ansicht eines Bauteils, das auf einer flexiblen Leiterplatte
mittels einer Federkraft befestigt ist, ist;
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3 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
einer Verformung einer flexiblen Leiterplatte ist, die eine Kraftanwendung
auf ein Wandlerbauteil gemäß der vorliegenden
Erfindung aufbringt;
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4 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
einer lokalen Verformung der Dicke einer flexiblen Leiterplatte
ist, verursacht durch ein steifes Stützelement;
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5a eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
einer flexiblen Leiterplatte mit einstellbaren Verriege lungsstrukturen
in einem nicht verformten Zustand ist;
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5b eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
der flexiblen Leiterplatte der 5a in
einem verformten Zustand ist;
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6 eine
schematische Darstellung einer weiteren einstellbaren Verriegelungsstruktur
ist, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
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7a eine
schematische Darstellung einer flexiblen Leiterplatte mit geometrischen
Lokalisierungsstrukturen in einem nicht verformten Zustand ist;
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7b eine
schematische Darstellung der flexiblen Leiterplatte aus 7a in
einem verformten Zustand ist, wobei die geometrischen Strukturen
in Eingriff gebracht wurden;
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8 eine
schematische Ansicht eines Mikrosystems gemäß der vorliegenden Erfindung
ist; und
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9 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung
eines Verfahrens zur Montage von Mikrosystemen gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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Genaue Beschreibung
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In
herkömmlichen
Wandler-Mikrosystemen ist ein Hauptbauelement ein Teil oder mehrere
Teile, die, wie oben beschrieben, z. B. als Gehäuse, als Behälter oder
für andere
Stützzwecke
verwendet wird. Wandler-Mikrosysteme sind Systeme mit Bauteilen, die
eine elektrische Energie in eine andere Form umwandeln oder umgekehrt,
wie vorher beschrieben, und deren Größe in der Grö ßenordnung
von Zentimetern oder weniger liegt. Wenn die Größe des Mikrosystems verringert
wird, nimmt der Einfluss der Masse der Bauteile mit der Kubikzahl
eines Längenmaßes ab,
während
der Bereich, der die Kraft aufnimmt, nur mit der Quadratzahl eines
Längenmaßes abnimmt.
In der Praxis kann dies ausgedrückt
werden, dass wenn die Größe abnimmt,
die Trägheitskräfte immer
weniger wichtig werden und bei Systemen mit der Größe von Zentimetern
oder weniger können
die Trägheitskräfte mehr
oder weniger vernachlässigt
werden.
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Wenn
die Größe eines
Systems abnimmt, kann die Steifigkeit eines Hauptbauelements verringert
werden. Für
Mikrosysteme, die traditionell so und so auf steifen Strukturen
montiert sind, könnten elastische
Konstruktionen verwendet werden. Platten aus elastischen Materialen
können
entweder selbst oder in einer gefalteten oder verformten Weise stabil genug
sein, um ein Hauptbauelement zu bilden.
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Die
monolithischen Bauteile eines Wandler-Mikrosystems sind üblicherweise
zu einer Baugruppe zusammengebaut und werden danach auf einer oder
mehreren Schichten von Trägern
montiert. Die Größenordnung
der Mikrosysteme macht das Packen weniger wichtig von einem mechanischen Gesichtspunkt
und die ganzen Montage- und Aufbautechniken für das System können stark
vereinfacht werden, wenn solche Teile weggelassen werden. In der
vorliegenden Erfindung bildet eine flexible Leiterplatte das Hauptbauelement
des Mikrosystems. Hier folgen die Aufgaben eines Hauptbauelements
der Beschreibung des Standes der Technik, während die Zusammensetzung des
Hauptbauelements vollkommen unterschiedlich ist. Alle oder zumindest
die meisten der Bauteile, elektromechanische, rein elektrische,
optische Bauteile, Stellglieder, Sensoren usw. können in dieser Hinsicht direkt
auf ein und denselben Träger
montiert werden.
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Weiterhin
können
in einem kleinen Maßstab Folien
aus elastischen Materialien, wie flexible Leiterplatten, als ziemlich
steif in Bezug auf die typische Last, die sie tragen sollen, betrachtet
werden. In einem großen
Maßstab
jedoch, d. h. unter Berücksichtigung
eines gesamten Mikrosystems, kann die Folie immer noch als leicht
verformbar betrachtet werden und bietet außerdem ein nützliches
flexibles Verhalten. Durch Umformen von Bereichen oder der gesamten
flexiblen Leiterplatte können
einfach endgültige
Strukturformen erhalten werden, die zur gleichen Zeit verwendet
werden können,
um Kraft auf einige Wandlerbauteile aufzubringen. Wandler-Mikrosysteme,
die dazu dienen, verschiedene Elemente zu bewegen, verwenden normalerweise
verschiedene Arten von Kraft, meist Reibungskräfte, zwischen den Kontaktpunkten
einer Antriebseinheit und dem Antriebselement, um die Bewegung zu
erreichen. Mittel zur Erzeugung solcher normaler Kräfte zwischen
verschiedenen Bauteilen müssen
vorgesehen sein. In einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann
die flexible Leiterplatte auch verwendet werden, um diese normalen
Kräfte
zu erzielen.
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Zu
Beginn dieser detaillierten Beschreibung wird ein Beispiel eines
Mikrosystems beschrieben, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung
zu erläutern.
In diesem Beispiel ist das Mikrosystem ein elektromechanischer Mikromotor,
bestehend aus drei monolithischen piezoelektrischen Teilen von Antriebseinheiten,
zwischen denen eine Welle gehalten wird. Die piezoelektrischen Antriebseinheiten
sollen mit einer Normalkraft gegen die Welle befestigt werden, um
eine Bewegung der Welle zu erreichen. Diese Bewegung kann entweder
eine Drehbewegung oder eine Übersetzung
sein. Eine passende Annäherung
ist, die in der internationalen Patentanmeldung WO-97/36366 offenbarten
Prinzipien zu verwenden. Jedoch sind die Einzelheiten der Motorfunktion
nicht von großer
Bedeutung für
die Montageprinzipien der vorliegenden Erfindung, und viele andere
Typen von Antriebsmecha nismen, wie z. B. Resonanz- oder Stick-Slip-Mechanismen,
und andere Mirkomotoren können
in ähnlicher
Weise montiert werden.
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1a zeigt
eine flexible Leiterplatte 10, auf welcher elektrische
Leitungen 12 und Kontaktpolster 14 in einer herkömmlichen
Weise vorgesehen sind. Jede beliebige Standardtechnik, die für normale
flexible Leiterplatten 10 verwendet werden, können angewandt
werden. In der flexiblen Leiterplatte 10 in 1a sind
außerdem
zusätzliche
Strukturen vorhanden. Ein Schlitz 20 wird in einem Abstand
von einer Kante in die flexible Leiterplatte 10 geschnitten. Dieser
Schlitz 20 definiert somit ein Streifenelement 19 der
flexiblen Leiterplatte 10. Im Streifenelement 19 der
flexiblen Leiterplatte 10 sind zwei Streifen 16 mit einer
Reihe von rechteckigen Öffnungen
an einem Ende vorgesehen und nahe der Mitte des Streifenelements 19 sind
zwei hauptsächlich
U-förmige Schlitzstrukturen 18 vorgesehen.
Der durch die U-förmige
Schlitzstruktur 18 definierte Streifenbereich hat im Wesentlichen
die gleiche Breite wie die Länge
der rechteckigen Öffnungen
in den Streifen 16. Die geometrischen Strukturen 16, 18 und 20 können auf
verschiedene Arten vorgesehen sein, in Übereinstimmung mit dem Wissen
eines Fachmanns, z. B. durch Laserablation, mechanische Bearbeitung
oder lithographische Verfahren, wie Plasmaätzen.
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1b zeigt
die gleiche flexible Leiterplatte wie in 1a, aber
mit einer Anzahl von Bauteilen, die auf ihrer Oberfläche montiert
sind. Drei monolithische piezoelektrische Antriebseinheiten 22 sind
parallel in regelmäßigen Abständen am
Streifenelement 19 befestigt. Eine Spannungszufuhreinheit 24 und ein
Positionssensor 26 sind an der flexiblen Leiterplatte 10 zusammen
mit verschiedenen elektronischen Bauteilen 25 befestigt.
Die gedruckten Leitungen 12 verbinden die verschiedenen
Bauteile, wie dies bei der normalen Montage von elektronischen Leiterplatten üblich ist.
Der Schritt der Befestigung der Bauteile kann deshalb vorteilhaft
in einer effizienten und kostengünstigen
Weise durch herkömmliche Techniken
durchgeführt
werden.
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In 1c wurde
das Streifenelement 19 verformt und in eine zylindrische
Form, die eine Welle 28 umschließt, gebogen. Die ursprünglich oberen
Oberflächen
der monolithischen piezoelektrischen Antriebseinheiten 22 werden
in mechanischen Kontakt mit der Welle 28 gebracht und das
Streifenelement 19 wird gedehnt, um eine Kraft 30 auf
die monolithischen piezoelektrischen Antriebseinheiten 22 aufzubringen,
wobei die Kraft 30 durch Reibungsmittel auf die Welle 28 übertragen
wird. Das Streifenelement 19 wird in einer gestreckten
Position durch die Streifen 16 und die U-förmigen Schlitzstrukturen 18 festgestellt,
indem die von den U-förmigen
Schlitzstrukturen 18 definierten Streifen in die rechteckigen Öffnungen
der Streifen 16 eingeführt
werden.
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Der
in 1c dargestellte Mikromotor ist ein Mikromotor,
der betriebsbereit ist. Alle notwendigen Zufuhr- und Steuerelektronikteile
können
auf der flexiblen Leiterplatte 10 enthalten sein. Der Sensor 26 kann
z. B. die Position oder die Geschwindigkeit, drehend oder übersetzend,
der Welle 28 bestimmen. Die Vorteile bei dem vorliegenden
Montageverfahren sind nun offensichtlich. Alle Teile des Systems,
außer der
Welle 28, sind auf der flexiblen Leiterplatte 10 befestigt,
während
die Leiterplatte 10 sich in einem flachen Zustand befindet.
Billige, herkömmliche
Elektronikmontagetechniken können
verwendet werden. Eine einfache Verformung eines Teils der flexiblen Leiterplatte 10 bringt
verschiedene mikroelektromechanische Teile 22 an ihre endgültigen Positionen und
die Normalkraft, die für
den Betätigungsvorgang nötig ist,
wird durch die flexiblen Eigenschaften der flexiblen Leiterplatte 10 zur
Verfügung
gestellt.
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Flexible
Leiterplatten 10 können
verschiedene Isoliermaterialien aus Polymer umfassen. Ein bevorzugtes
Material ist Polyimid, was ein Standardmaterial in solchen Anwendungen
ist, und passende mechanische Eigenschaften für eine große Anzahl von Anwendungen aufweist.
Polyimid zeigt hohe Streckspannung und geringes Kriechen. Außerdem ist
es thermisch und chemisch stabil und widersteht Temperaturen über 300°C. Polyimid
ist auch geeignet für viele
biomedizinische Anwendungen, da es ein biokompatibles Material ist.
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Die
in 1c dargestellte Kontaktkraft 30 verursacht
einen mechanischen Kontakt. In verschiedenen Mikrosystemanwendungen
kann auch ein elektrischer Kontakt gefordert sein und gemäß der vorliegenden
Erfindung können
solche elektrischen Kontakte in ähnlicher
Weise vorgesehen sein.
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Die
tatsächliche
Montage der Bauteile kann auch durch die flexible Leiterplatte 10 gestützt werden.
In 2 kann ein schmaler Streifen 32 aus dem Material
der flexiblen Leiterplatte 10 ausgeschnitten und als Feder
verwendet werden. Für
kleine Teile, wie die mikroelektromechanischen Bauteile 22,
ist die Kraft, die zum Befestigen der Bauteile in Position erforderlich
ist, nicht sehr groß.
Durch Verwendung relativ kurzer flexibler Elemente 32 der
flexiblen Leiterplatte 10 kann die elastische Federkraft
ausreichend sein, um das Bauteil in Position zu halten. Wenn der
Streifen 32 mit einer leitenden Schicht an der Seite, die
dem mikroelektromechanischen Bauteil 22 zugewandt ist,
bedeckt ist, kann auch ein elektrischer Kontakt gebildet werden.
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3 zeigt
eine weitere Möglichkeit,
eine flexible Leiterplatte 10 anzuordnen, um eine Kraft
auf ein mikroelektromechanisches Bauteil 22 zu erreichen.
An einem Ende der flexiblen Leiterplatte 10 sind geometrische
Strukturen vorhanden, in diesem Fall in einer halbkreisförmigen Form 34.
Die halbkreis förmigen
Elemente 34 können
durch die Schlitze 33 gezwungen werden, wodurch die halbkreisförmigen Elemente 34 an
der gegenüberliegenden
Seite verhakt werden. Die Schlitze 33 sind vorzugsweise schwach
C- oder S-förmig,
wodurch das Einführen der
halbkreisförmigen
Elemente 34 erleichtert wird, indem die halbkreisförmigen Elemente 34 entlang der
Schlitzform verformt werden, während
die halbkreisförmigen
Elemente festgehalten werden, nachdem die halbkreisförmigen Elemente 34 ihre
ursprüngliche
Form an der gegenüberliegenden
Seite der flexiblen Leiterplatte 10 wiedergewonnen haben. Wenn
mehrere Schlitze 33 nahe nebeneinander angeordnet sind,
kann die Schlitzform gerade sein, aber die Richtung ist verdreht
im Vergleich zu den endgültig
befestigten halbkreisförmigen
Elementen 34.
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Die
flexible Leiterplatte 10 wird zu einer geschlossenen Hülsenform
verformt, die auch als ein Gehäuse
für das
Mikrosystem dienen kann. Die flexible Leiterplatte 10 übt auch
eine Kraft auf das mikroelektromechanische Bauteil 22 aus
und diese Kraft kann genutzt werden, um einen mechanischen und/oder
elektrischen Kontakt zu erzielen. In 2 wie auch
in 3 ist ein Teil der flexiblen Leiterplatte 10 elastisch
verformt und ein mikroelektromechanisches Bauteil 22 ist
im Verformungspfad angeordnet, wodurch die Elastizität der verformten
flexiblen Leiterplatte 10 eine Federkraft auf das mikroelektromechanische
Bauteil 22 aufbringt.
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Es
gibt mehrere verschiedene Anwendungen, in denen die Kontaktkräfte zwischen
den Antriebseinheiten und dem Antriebselement sehr hoch sein müssen. In
diesem Fall ist es vorteilhaft, eine externe Stützstruktur zu verwenden, welche
die Steifigkeit verbessert. 4 zeigt
einen solchen Fall, in dem ein externes steifes Element 36 als
eine Gegenwirkungseinrichtung zur Erzielung einer starken elastischen
Kraft verwendet wird. Ein Bereich einer flexiblen Leiterplatte 10,
auf welchem das mikroelektromechanische Bauteil 22 befestigt
ist, wird ver formt und zwischen den Klemmbacken des externen steifen Elements 36 zusammengedrückt. Der
Abstand zwischen den Klemmbacken ist geringfügig kleiner als das mikroelektromechanische
Bauteil 22 und die flexible Leiterplatte 10 in
einem nicht zusammengedrückten
Zustand, und das Einlegen der flexiblen Leiterplatte 10 in
das externe steife Element 36 verursacht, dass ein Teil
der flexiblen Leiterplatte 10 zusammengedrückt wird.
Diese Kompression erzeugt eine elastische Kraft durch das Plattenmaterial selbst,
wobei diese Kraft ziemlich groß sein
kann. Die flexible Leiterplatte 10 ist somit mit einer
elastischen Verformung 38, die im Wesentlichen senkrecht
zu ihrer Oberfläche
ist, zwischen dem mikroelektromechanischen Bauteil 22 und
dem externen steifen Element 36 angeordnet, wobei die immanente
Materialelastizität
der flexiblen Leiterplatte 10 die elastische Kontaktkraft
liefert. Die Verformung kann natürlich
z. B. auch zwischen verschiedenen mikroelektromechanischen Bauteilen 22 stattfinden.
Das externe steife Element 36 wird in diesem Fall nur verwendet, um
die Kraft zu erzeugen, kann aber auch kombiniert werden, um einen
Teil des Hauptbauelements zu bilden. Es sei angemerkt, dass die
Abmessungen in 4 in einem anderen Maßstab verglichen
mit den meisten anderen Figuren gezeichnet wurden.
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In
einigen Anwendungen kann es wichtig sein, Wärme zum oder vom Mikrosystem
zu leiten und deshalb ist eine thermisch leitende Struktur erforderlich.
In diesen Fällen
verbessert ein direkter Kontakt zwischen der elektrischen Masseebene
des Motors und der Stützvorrichtung
den thermischen Transport, wenn die elektrischen Leiter in den zu
kühlenden
Bauteilen stark thermisch leitfähig
sind, z. B. aus Metallen wie Silber usw. Alternativ können separate Kühlflansche
an der flexiblen Leiterplatte in Verbindung mit den Wärme erzeugenden
Teilen befestigt sein. Ein weiteres, mit Wärme zusammenhängendes Thema
ist die Wärmeausdehnung.
Polyimid hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der sich deutlich von vielen anderen Bauteilen eines Mikrosystems
unterscheidet. Große
Temperaturunterschiede können
deshalb große
Unterschiede in der Wärmeausdehnung
verursachen, was schließlich
zu Brüchen
führen
kann. Um ein solches Verhalten zu verhindern, kann die flexible
Leiterplatte z. B. mit einer Platte aus einem anderen Material kombiniert
werden, wobei die Kombination über
eine geeignete thermische Ausdehnung verfügt.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
werden eines oder mehrere Teile des Mikrosystems mit Abmessungs-
oder Positionstoleranzen hergestellt oder montiert, die größer sind
als die Bewegung z. B. der Kontaktpunkte der Antriebseinheiten.
Die Dimensionstoleranzen können
zu einem großen
Anteil durch die Elastizität
der flexiblen Leiterplatte ausgeglichen werden. Das gleiche gilt
für den
Verschleiß von
ausgesetzten Punkten, da die Elastizität der flexiblen Leiterplatte
verwendet werden kann, um Abmessungsveränderungen ständig auszugleichen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
das Mikrosystem aus einem einzigen Stück der flexiblen Leiterplatte
gefertigt und ein Teil der flexiblen Leiterplatte wird gefaltet
und an einer anderen gegebenen Position in der flexiblen Leiterplatte
festgestellt. Dies kann durch eine Art von Verriegelungsgeometrie
erreicht werden. In 1c schloss eine einfache Verriegelungsstruktur
die Baueinheit, die dann das Gehäuse
des tatsächlichen
Motors bildete und stellte gleichzeitig die Normalkräfte zwischen
Antriebseinheiten und Antriebselementen zur Verfügung.
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Außerdem,
wenn der Verriegelungsmechanismus eine Vielzahl von Verriegelungspositionen aufweist,
können
sowohl die Kontaktkräfte
als auch die Größe des Gehäuses in
einer mehr oder weniger stufenlosen Weise eingestellt werden.
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5a und 5b zeigen
flexible Leiterplatten 10 mit geometrischen Strukturen,
die Verriegelungsstrukturen umfassen, die eine einstellbare Verriegelung
vorsehen. Streifen mit pfeilartigen Strukturen 40 sind
an der flexiblen Leiterplatte 10 vorgesehen und Schlitze 42 sind
an einer entfernten Stelle vorgesehen. Durch Verformen der flexiblen
Leiterplatte 10 können
die pfeilartigen Streifen 40 in die Schlitze 42 eingeführt werden.
Der Schlitz 42 kann in einer S- oder C-Form gebildet sein,
wie oben beschrieben. Da die Streifen 40 verschiedene Ebenen von „Flügeln" aufweisen, kann
eine passende und einstellbare Streckung der flexiblen Leiterplatte 10 erzielt
werden.
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6 zeigt
einen alternativen, einstellbaren Verriegelungsmechanismus, ähnlich zu
dem in 1a–c verwendeten Verriegelungsmechanismus. Ein
Streifen 41 weist eine allgemeine Leiterform auf, mit aufeinanderfolgenden
rechteckigen Ausschnitten. Dieser Teil bildet den „männlichen" Teil der geometrischen
Verriegelungsstruktur. Als „weibliches" Gegenstück ist ein
allgemein C-förmiger
Schlitz 43 in der flexiblen Leiterplatte 10 ausgeschnitten.
Ein gerader Schlitz 45 neben den C-förmigen
Schlitz 43 dient als Mittel zur Erhöhung der Reibung in den Verriegelungsstrukturen.
Der leiterförmige
Streifen 41 wird durch den geraden Schlitz 45 gesteckt
und dann mit der Rückseite
nach oben durch den allgemein C-förmigen Schlitz 43,
wobei der Mittelteil des C-förmigen Schlitzes 43 mit
den rechteckigen Ausschnitten in dem Leiterstreifen 41 in
Eingriff gelangt. Auf diese Weise kann eine einstellbare Streckung
in der flexiblen Leiterplatte 10 erreicht werden.
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Die
flexible Leiterplatte 10 kann auch verwendet werden, um
die Genauigkeit bei der Montage eines Mikrosystems zu verbessern.
Die Grundprinzipien basieren auf der Möglichkeit, kleine und genaue geometrische
Strukturen einfach in der flexiblen Leiterplatte 10 vorzusehen.
Die Prinzipien sind in 7a und 7b gezeigt.
Eine flexible Leiterplatte 10 ist mit verschiedenen geometrischen
Strukturen ausgestattet. Eine Vertiefung 46, eine Ausbuchtung 48 und
eine Nut 44 sind in diesem erläuternden Beispiel an beiden
Seiten der flexiblen Leiterplatte 10 vorgesehen. 7a zeigt
die flexible Leiterplatte 10 in einem flachen Zustand,
während
sie in 7b gebogen wurde, wobei die
Nut als ein Anzeichen für
die Biegeposition dient. Die Ausbuchtung 48 ist mit der Vertiefung 46 in
Eingriff gebracht, wodurch eine genaue relative Positionierung der
zwei Bereiche der flexiblen Leiterplatte 10 erreicht werden
kann.
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Auf
diese Weise kann eine Neuformung, Ablenkung oder Verformung der
flexiblen Leiterplatte 10 durchgeführt werden, wobei Strukturen
mit sehr genauen geometrischen Formen gebildet werden. Die geometrischen
Strukturen in der flexiblen Leiterplatte 10 können jede
beliebige Form haben, z. B. Schlitze, Nuten, Vertiefungen, Löcher, Erhebungen,
Grate, Täler
usw. Diese geometrischen Formen können mit anderen geometrischen
Strukturen an der gleichen flexiblen Leiterplatte 10, einer
anderen flexiblen Leiterplatte oder anderen Elementen des Mikrosystems
in Eingriff gelangen. Die geometrischen Formen wie Grate und andere
Formen von erhabenen Strukturen und Täler, Nuten und andere ausgehöhlte Strukturen können verwendet
werden, um die flexible Leiterplatte 10 zu festigen oder
zu schwächen,
und dienen als Faltzeichen. Kleine parallele Grate können z.
B. auch als Mittel zur Steigerung der Reibung verwendet werden,
entweder für
die Funktion eines elektromechanischen Bauteils oder als ein Reibungs-unterstützter Verriegelungsmechanismus.
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Das
Falten der Materialplatten kann auf mehrere Arten durchgeführt werden,
um eine bestimmte geometrische Struktur zu erzielen oder einen steiferen
Träger
zu erzeugen. In manchen Fällen
sind Verriegelungsstrukturen erforderlich, um die endgültige Struktur
zusammenzuhalten, während
in anderen Beispie len die Faltungen selbst Verriegelungen bilden
und keine getrennte Verriegelungsstruktur erforderlich ist.
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Die
Aufbautechnik gemäß der vorliegenden Erfindung
ist flexibel in vieler Hinsicht und durch Verwendung unserer Kenntnisse
aus der Welt der Biologie können
eine Anzahl von komplexen Mikrosystemen wie z. B. Mikroroboter konstruiert
werden. In der Welt der Insekten ist es üblich, Hülsenstrukturen als Hauptbauelement
zu nutzen. Flexible Verbindungen werden zwischen den steiferen Hülsensegmenten verwendet,
um eine Bewegung verschiedener Glieder zu erzielen. Durch Falten
ebener, flexibler Träger mit
geometrischen Schlitzen, Nuten usw. können ähnliche Strukturen, wie sie
in der Welt der Biologie verwendet werden, erreicht werden. Die
strukturelle Steifigkeit des flexiblen Trägers kann durch das Falten
um ein Vielfaches erhöht
werden. Mit den gleichen Anordnungen und Techniken, wie sie in den durch
Origami (japanische Papierfaltetechnik) hergestellten Strukturen
zu finden sind, können
verschiedene geometrische Formen erzielt werden.
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In
bestimmten Anwendungen ist die relative Positionierung verschiedener
Mikrosystembauteile wichtiger als die genaue Positionierung an der
tragenden Struktur, d. h. dem Hauptbauelement. In solchen Fällen können Einstellungen
gemäß den oben beschriebenen
Prinzipien verwendet werden, um die korrekten relativen Positionen
zu erhalten. In dem in 1c erläuterten Ausführungsbeispiel
müssen
die monolithischen piezoelektrischen Antriebseinheiten gut ausgerichtet
sein, nicht in Bezug auf das umgebende Hauptbauelement, sondern
hauptsächlich
in Bezug auf die Welle, die zwischen den drei Antriebseinheiten
eingeklemmt ist. Durch Ermöglichung
einstellbarer Strukturen in der flexiblen Leiterplatte können solche
Einstellungen leicht durchgeführt
werden, etwas, das mehr oder weniger unmöglich ist, wenn ein steifes
Hauptbauelement verwendet würde.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
können Resonanzmerkmale
im elektromechanischen Mikrosystem verwendet werden, wie z. B. Resonanzmikromotoren.
Die Resonanzfrequenz steht in diesen Fällen direkt mit der strukturellen
Elastizität
einiger oder vieler der Bauteile des Systems in Verbindung. Die Elastizität der flexiblen
Leiterplatte kann hier verwendet werden, um die Resonanzfrequenz
entweder bei der Konstruktion oder bei nachfolgenden Schritten zu ändern. Veränderungen
der strukturellen Geometrie durch Techniken wie Falten, Verriegeln
oder Lösen der
verschiedenen Elemente sind einige Techniken, um die strukturelle
Elastizität
einzustellen. Die Anwendung nichtlinearer Federstrukturen ist noch
eine weitere Lösung,
die aufgrund ihrer Einfachheit vorteilhaft ist.
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8 zeigt
schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Hier ist das Mikrosystem ein medizinisches
Armband mit allen Bauteilen, die zum Überwachen des medizinischen
Zustandes, z. B. Blutdruck, Blutsauerstoffanteil, Puls usw., nötig sind.
Eine flexible Leiterplatte 10 aus Polyimid wird mit geometrischen
Strukturen versehen, ähnlich
zu denjenigen in 1a–c, mit zwei Streifen 16 mit
rechteckigen Löchern
und zwei U-förmigen
Schlitzen 18. Die Streifen 16 und die Schlitze 18 können mechanisch
verbunden werden und um das Handgelenk einer Person angelegt werden.
Ein Sensor 54 liest verschiedene medizinische Zustandsvariablen
und sendet elektrische Signale an eine Mikrosteuerung 53.
Die Variablen werden gesammelt und vorab ausgewertet und die Ergebnisse werden
zu einem Mikrowellenwandler 51 übertragen, um Signale zu einem
externen Steuersystem mittels einer Mikrowellenantenne 52 zu übertragen.
Eine Batterie 56 liefert den Strom für die Mikrosystembauteile.
Auch ein Stellglied 55 ist zur Stimulation des Blutflusses,
Medikamentenabgabe usw. verfügbar. Alle
Bauteile werden von der flexiblen Leiterplatte 10 getragen
und der Sensor 54 und das Stellglied 55 werden
gegen den Arm des Patien ten gedrückt, wenn
in Betrieb. Da Polyimid ein biokompatibles Material ist, ist die
Vorrichtung außerdem
hautverträglich.
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Wie
aus den obigen Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung verständlich
wird, sind die offenbarten allgemeinen Verfahren auf Mikrosysteme
verschiedener Arten und für
verschiedene Anwendungsgebiete anwendbar. Die Verwendung des flexiblen
Hauptbauelements ist jedoch in vielen Anwendungen vorteilhaft, und
dies gilt auch für
das einfache und billige Montageverfahren.
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9 zeigt
ein Flussdiagramm der Hauptschritte eines bevorzugten Montagevorgangs
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Vorgang startet in Schritt 100. In Schritt 102 ist
eine großflächige flexible
Leiterplattenfolie durch herkömmliche
Verfahren vorgesehen. Es ist für
die Massenproduktion vorteilhaft, wenn verschiedene identische Einheiten
in Stapelverarbeitung montiert werden. Elektrische Muster und geometrische
Strukturen sind in Schritt 104 vorgesehen. Diese Vorgänge folgen
auch Standardprozeduren, die jedem Fachmann bekannt sind. In Schritt 106 findet
die Montage der Bauteile auf die flexible Leiterplatte statt. Dies
wird vorzugsweise in einer im Wesentlichen flachen Weise durchgeführt, möglicherweise
in einer elektronischen Plattenoberflächenmontagevorrichtung von
bekannter Bauart und Funktionsweise. Die großflächige flexible Leiterplattenfolie
wird in getrennte Platten in Schritt 108 zerbrochen. Jede
Einheit wird dann mit den notwendigen Bauteilen, die an der Oberfläche davon
befestigt sind, ausgestattet. In Schritt 110 erhält die flexible Leiterplatte
ihre endgültige
Form durch einen Verformungsschritt, in dem die flexible Leiterplatte
elastisch verformt ist und auch plastisch verformt werden kann, um
eine endgültige
strukturelle Lagerform zu erhalten. Geometrische Strukturen, die
eine Verriegelungseinrichtung bieten, werden in Schritt 112 verwendet,
um die Verformung beizubehalten. In Schritt 114 wird die
Verriegelung eingestellt, um passende Positionierung, Kräfte und
andere Eigenschaften des Mikrosystems zu erzielen. Der Vorgang endet schließlich in
Schritt 116.
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Auch
wenn die Montage der Bauteile vorzugsweise an einer im Wesentlichen
flachen flexiblen Leiterplatte durchgeführt wird, kann es Fälle geben, in
denen leicht konvexe oder konkave Strukturen zu bevorzugen sind.
Leicht konkave oder konvexe flexible Leiterplatten können notwendig
sein, um sanft abgerundete endgültige
Strukturen nach den Falt- oder Biegevorgängen zu erhalten.
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Es
ist für
den Fachmann selbstverständlich, dass
verschiedene Modifikationen und Änderungen an
der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne
Abweichung vom Umfang derselben, welcher durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.