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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet des Mikrobearbeitens von elektromagnetischen
Bausteinen und insbesondere eines mikrobearbeiteten magnetischen
Stellglieds und eines Verfahrens zum Loslösen des magnetischen Stellglieds
von seiner Ausgangsscheibe.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Es
ist allgemein bekannt, daß magnetisches
Stellen verglichen mit elektrostatischen Antriebsmechanismen stärkere Kräfte über längere Wege
bereitstellt. Siehe W. Gu et al., AIAA Journal, Vol. 31. No. 7,
Seite 1177–86
(1993); und K. Rinoie, Aeronautical Journal, Vol. 97 (961), Seite
33–38
(1993). Elektromagnetisches Antreiben kann in vielen verschiedenen
Ausbildungen als Bewegungskraft eingesetzt werden, wie beispielsweise
gezeigt von I. J. Busch-Vishniac, Sensors and Actuators, A33 at
207–20
(1992); und C. H. Ahn et al., IEEE J. Microelectromechanical Systems,
Vol. 2 (1) at 15–22
(1993), selbst in Kombination mit elektrostatischen Kräften. H.
Guckel et al., 1993 IEEE Workshop on Microelectromechanical Systems
at 7–11
(1993). Die Einführung
elektrochemischen Auftragens von Permalloy (z. B. 50/50 FeNi) hat
die Leistung elektromagnetischer Antriebsmechanismen und die Wirksamkeit
magnetischer Stellglieder auf dramatische Weise erhöht, wie
es beschrieben ist bei B. Wagner et al., Sensors and Actuators,
A(32) at 598–03
(1982); und C. Liu et al., 1994 IEEE Workshop on Microelectromechanical
Systems at 57–62
(1994); und S. W. Yuan, Foundations of Fluid Mechanics, Prentice
Hall (1972).
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Was
erforderlich ist, ist ein Entwurf für ein mikrobearbeitetes, mikromagnetisches
Stellglied, das durch Mikrobearbeiten der Oberfläche gefertigt und das dazu
angepaßt
werden kann, in hochintegrierten Gruppierungen reproduziert zu werden.
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Wie
weiter unten beschrieben wird, wird die illustrierte Ausführungsform
der Erfindung zunächst
allgemein erörtert,
dann im besonderen, und zwar für
jede beliebige Gruppierung, die bei einem Deltaflügel eingesetzt
ist. Der Deltaflügel ist
eine der fundamentalen Ausbildungen zum Erzeugen von Hebekräften und
seine aerodynamische Steuerung ist ein Auslegungsmerkmal von großer Bedeutung.
Wenn Luftströmung
auf die beiden Vorderkanten des Flügels mit einem gewissen Angriffswinkel
trifft, werden die beiden entgegengesetzt sich drehenden Vorderkantenwirbel
von der laminaren Strömung
getrennt und sie pflanzen sich über
der oberen Oberfläche
des Flügels
fort. Die beiden Wirbel mit hohem Schwung und niedrigem Druck tragen
auf den beiden Seiten des Flügels
identische Wirbelhebekräfte
bei, wobei die Summe dieser Kräfte
etwa 40 Prozent der gesamten Hebekräfte ausmacht. Die Stärke und
Stelle dieser beiden Wirbel werden durch die Grenzschichtbedingungen
nahe ihrer Trennpunkte bestimmt. Die Grenzschicht ist grob gesehen
1 bis 2 Millimeter dick bei Windtunnel-Strömungsgeschwindigkeiten von
weniger als 20 Metern pro Sekunde. Die Dicke wird sich verringern,
wenn die Strömungsgeschwindigkeit
sich erhöht.
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Was
also erforderlich ist, ist ein Mittel zur Kontrolle dieser Wirbel,
um eine Steuerfunktion für
Deltaflügel
bereitzustellen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein mikro-elektromechanisches, magnetisches Stellglied
gemäß Anspruch
1. Das Stellglied umfaßt
ein Substrat, das eine Oberfläche
und eine mikrobearbeitete Klappe besitzt, die aus der Oberfläche des
Substrats geschaffen und davon getrennt ist. Mindestens ein mikrobearbeiteter
Balken, der aus der Oberfläche
des Substrats geschaffen ist, koppelt die Klappe an das Substrat.
Eine magnetische Schicht ist auf der Klappe angeordnet. Eine selektiv
stellbare Magnetfeldquelle ist nahe am Stellglied angeordnet, um
ein magnetisches Feld in der Nähe
der Klappe zu erzeugen, um die Klappe auf dem Balken zu biegen, und
zwar nach außen
von der Ebene der Oberfläche
des Substrats. Dadurch ist eine magnetisch verstellbare Klappe außerhalb
der Ebene bereitgestellt.
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In
einer Ausführungsform
ist die Magnetquelle ein Elektromagnet. Die magnetische Schicht
umfaßt eine
Magnetspule, die auf der Klappe angeordnet ist.
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Das
Stellglied umfaßt
weiterhin eine Stromquelle. Die Magnetspule ist durch leitfähige Leitungen
an die Stromquelle gekoppelt, die sich von der Magnet spule zur Stromquelle
erstrecken. Die Leitungen sind entlang dem Balken angeordnet. Vorzugsweise
sind mindestens zwei Balken bereitgestellt, um die Klappe an das Substrat
zu koppeln.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfaßt
die magnetische Schicht einen Dauermagneten und die Magnetquelle
ist ein Dauermagnet. Insbesondere ist der Dauermagnet eine Permalloy-Schicht.
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Die
Klappe weist eine Vielzahl von Bohrungen auf, die darin definiert
sind, um das Trennen der Klappe von dem darunterliegenden Substrat
zu erleichtern.
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Die
Erfindung nimmt auch Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen eines
mikro-elektromechanischen, magnetischen
Stellgliedes gemäß Anspruch
1. Das Verfahren umfaßt
das Bereitstellen eines im wesentlichen fertigen mikro-elektromechanischen,
magnetischen Stellgliedes auf einer Opferschicht, die auf einem
darunterliegenden Substrat angeordnet ist. Die Opferschicht, auf
der das mikro-elektromechanische, magnetische Stellglied angefertigt
worden ist, wird entfernt, indem die Opferschicht durch mindestens
eine Öffnung
weggeätzt
wird, die durch das mikro-elektromechanische, magnetische Stellglied
definiert ist, um die darunterliegende Opferschicht zugänglich zu
machen. Der geätzte
Baustein wird getrocknet, wobei das mikro-elektromechanische, magnetische
Stellglied gleichzeitig verstellt wird, um die freigegebenen Teilbereiche
des Stellgliedes außer
Kontakt mit dem darunterliegenden Substrat zu halten, bis das Trocknen
beendet ist.
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Die
Erfindung kann alternativ als eine Verbesserung eines Verfahrens
angesehen werden, bei dem eine oberflächen-mikrobearbeitete Auslegerschicht
hergestellt wird, die über
einem darunterliegenden Substrat angeordnet ist. Die Verbesserung
umfaßt
das Bereitstellen der Auslegerschicht auf einer Opferschicht, die ihrerseits
auf dem Substrat angeordnet ist. Eine magnetische Schicht ist auf
der Auslegerschicht angeordnet. Die Opferschicht unter mindestens
einem Teil der Auslegerschicht wird entfernt, um die Auslegerschicht
von dem Substrat loszulösen.
Die Auslegerschicht wird gleichzeitig von der Substratschicht entfernt
gehalten, indem die magnetische Schicht einem magnetischen Feld
ausgesetzt wird, das danach strebt, die Auslegerschicht vom Substrat
weg anzuheben. Die Auslegerschicht wird von dem Substrat separat
gehalten, bis das Entfernen der Opferschicht beendet ist und die Möglichkeit
des Anhaftens der Auslegerschicht an das Substrat im wesentlichen
erloschen ist.
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Entfernen
der Opferschicht unter mindestens einem Teil der Auslegerschicht
umfaßt
das nasse Wegätzen
der Opferschicht und, wenn die Auslegerschicht gleichzeitig vom
Kontakt mit dem Substrat weggehalten wird, wird es durchgeführt, bis
der mikro-elektromagnetische Baustein trocken ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfaßt
die Verbesserung weiterhin das Aufbringen eines organischen Polymers
auf mindestens der Auslegerklappe vor dem Aufbringen der Magnetschicht
darauf und selektives Entfernen der organischen Polymerschicht und
der darauf aufgebrachten Magnetschicht, nachdem das Entfernen der
Opferschicht beendet ist.
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Die
Verbesserung umfaßt
weiterhin das Aufbringen eines organischen Polymers auf mindestens
der Auslegerklappe vor dem Aufbringen der Magnetschicht darauf und
selektives Entfernen der organischen Polymerschicht und der darauf
aufgebrachten Magnetschicht, nachdem das Entfernen der Opferschicht
beendet ist.
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Die
Erfindung wird wiederum als eine Verbesserung eines Verfahrens angesehen,
wobei eine turbulente Strömung über der
Oberfläche
eines Objekts kontrolliert wird. Die Verbesserung umfaßt das Anordnen einer
Vielzahl mikro-elektromechanischer
Stellglieder, wobei jedes davon eine selektiv betreibbare Klappe
aufweist, die aus der Ebene des Mikrostellgliedes in die Grenzschicht
oberhalb der Oberfläche
verstellt werden kann, über
welcher die turbulente Strömung
stattfindet. Mindestens einige der Vielzahl der elektromechanischen
Stellglieder werden selektiv verstellt, um ihre dazugehörigen Klappen
in die Grenzschicht zu biegen, um dadurch eine turbulente Strömung zu
erzeugen.
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Auch
wenn die illustrierte Ausführungsform
die Bewegung der Klappen 14 in eine Richtung aus der Ebene
der Scheibe oder des Substrats heraus beschreibt, sollte es sich
ausdrücklich
verstehen, daß die
Abbiegung in alle Richtungen im Umfang der Erfindung enthalten ist.
Der Balkenaufbau könnte
im Einklang mit der Lehre der Erfindung geändert werden, um das seitliche
Abbiegen eines einzelnen oder mehrerer Balken in der Ebene der Scheibe
oder des Substrats, oder jede beliebige Kombination davon, mit einzuschließen.
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Das
selektive Anordnen der entsprechenden Klappen in die Grenzschicht
hinein umfaßt
das elektromagnetische Verstellen der Klappen, um die Klappen in
die Grenzschicht zu biegen, und zwar aus der Ebene des Stellgliedes
heraus.
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In
einer Ausführungsform
ist die Oberfläche
eine eine Flugzeug-Steueroberfläche
und das selektive Anordnen der jeweiligen Klappen dazu dient, eine
Steuerkraft auf der Flugzeug-Steueroberfläche bereitzustellen.
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Alternativ
dient das selektive Anordnen der jeweiligen Klappen in die Grenzschicht
dazu, den Strömungswiderstand
der Oberfläche
für jeden
beliebigen Zweck zu verringern.
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Die
Erfindung läßt sich
leichter bildlich vorstellen, indem jetzt die folgenden Zeichnungen
betrachtet werden, bei denen auf gleiche Elemente mit den gleichen
Nummern verwiesen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines sich außerhalb
einer Ebene bewegenden, magnetischen Stellglieds, das gemäß der Erfindung
entworfen wurde.
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2 ist
eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der 1 entlang
der Schnittlinien 2-2.
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3a–f sind vereinfachte Querschnittsansichten
in einem vergrößerten Maßstab, die
das Herstellungsverfahren des Stellglieds der 1 und 2 darstellen.
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4 ist
eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines sich außerhalb
einer Ebene bewegenden, magnetischen Stellglieds, das gemäß der Erfindung
entworfen wurde.
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5 ist
eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der 4 entlang
der Schnittlinien 5-5.
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6a und b ist
ein vereinfachtes Seitenansichtschaubild, das die Arbeitsweise des
Stellglieds der Erfindung illustriert.
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7a–d sind vereinfachte Querschnittsansichten
in einem vergrößerten Maßstab, die
das Herstellungsverfahren des Stellglieds der 4 und 5 darstellen.
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8a–h sind Querschnittsansichten einer Scheibe,
welche die Herstellung eines Mehrfachspulen-Stellglieds illustrieren.
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8i ist eine Draufsicht der Vorrichtung,
die gemäß dem in
den 8a–h illustrierten
Verfahren hergestellt wurde.
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9 ist
eine vereinfachte Draufsicht eines Deltaflügels, welche die Anwendung
des Stellglieds der Erfindung darin illustriert.
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10 ist
eine vereinfachte Draufsicht in einem vergrößerten Maßstab eines Teilbereichs des
Deltaflügels
der 9.
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11a–e sind Querschnittsansichten einer Scheibe,
die ein großvolumiges
Bearbeitungsverfahren zum Herstellen einer verstellbaren Verschlußklappe
illustriert.
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12 ist
eine Draufsicht der Verschlußklappe,
die gemäß dem in
den 11a–e illustrierten
Verfahren hergestellt wurde.
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Die
Erfindung, wie sie in ihren illustrierten Ausführungsformen und anderen Ausführungsformen
dargelegt ist, die in der Patentschrift offenbart sind, kann jetzt
besser verstanden werden, indem die folgende detaillierte Beschreibung
betrachtet wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein
oberflächen-mikrobearbeitetes,
mikro-magnetisches Stellglied ist mit einer Klappe bereitgestellt, die
in der Lage ist, große
Abbiegungen oberhalb 100 Mikron zu erreichen, indem es Magnetkraft
als Stellkraft verwendet. Die Klappe ist über einen oder mehrere Balken
an ein Substrat gekoppelt und ist als Ausleger über dem Substrat angeordnet.
Eine Permalloy-Schicht oder eine Magnetspule ist so auf der Klappe
angeordnet, daß sie
dazu veranlaßt
werden kann, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt wird, selektiv
mit dem magnetischen Stellglied in Wechselwirkung zu treten und
aus seiner Ebene zu schwenken.
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Die
Auslegerklappe wird von dem darunterliegenden Substrat losgelöst, indem
eine darunterliegende Opferschicht, die zwischen der Klappe und
dem Substrat angeordnet ist, weggeätzt wird. Die weggeätzte und jetzt überstehende
Klappe wird magnetisch verstellt, um sie vom Kontakt mit dem Substrat
fernzuhalten, während
der gerade geätzte
Baustein getrocknet wird, um hohe Ablösungswerte zu erzielen.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines mikrobearbeiteten, magnetischen
Stellglieds 10, und 2 ist eine
Querschnittsansicht entlang den Schnittlinien 2-2 der 1.
Das magnetische Stellglied 10 umfaßt eine spiralförmige Magnetspule 12,
die auf der Oberseite der Klappe 14 angeordnet ist, die
durch zwei Auslegerbalken 16 scharnierartig gehalten wird,
die sich von der Seite 18 der Klappe 14 zu einer
gegenüberliegenden
Seite 20 eines umgebenden Substrats 22 erstrecken.
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Das
Stellglied 10 der 1 ist ein
oberflächen-mikrobearbeitetes,
magnetisches Stellglied und, was weiter unten beschrieben wird,
es wird als ein integraler Bestandteil eines mikro-elektromechanischen
Systems verwendet, um Turbulenz zur Verringerung des Strömungswiderstand
zu kontrollieren. Um in dieser Anwendung wirksam zu sein, ist es
für die
Klappen 14 erforderlich, einen vertikalen Ausschlag von
mindestens +/– 100
Mikron am Endpunkt ihrer Bewegung bei einer Bandbreite von mehr
als 10 kHz zu erreichen. Kräfte
in der Größenordnung
von 1–10
Mikro-Newton sind erforderlich, damit die Klappen 14 wirksam
arbeiten können.
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Die
Größe der Klappe 14 kann
typischerweise von 250 Mikron bis 900 Mikron auf einer Seite variieren, wobei
der Balken 16 eine Länge
aufweist, die von 100 bis 360 Mikron variiert, und eine Breite von
14 bis 50 Mikron. Die Ätzlöcher 24,
die typischerweise eine Größe von 15 × 15 Mikron2 aufweisen, sind strategisch durch die Klappe 14 hindurch
angeordnet, um ein schnelleres Ätzen
einer Opferschicht 28 aus Polysiliziumglas zu ermöglichen,
wie in 2 dargestellt, um sicherzustellen, daß alle Strukturen
in einer Scheibe in etwa dergleichen Zeitspanne freigegeben werden,
was offensichtlicher wird, wenn das im Zusammenhang mit den 3a–f erörterte
Herstellungsverfahren betrachtet wird.
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Zusätzlich zur
Aufhängung
der laminierten Klappe 14 aus dünnem Film durch ein Paar linearer,
paralleler Balken 16 gehört es zum Umfang der Erfindung,
daß die
Klappe 14 auch durch eine Vielzahl schlangenförmiger Balken
getragen werden könnte,
die an jeder ihrer Ecken definiert sind.
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Es
versteht sich, daß gemäß der Erfindung
entweder die Polarität
des magnetischen Feldes, dem das Stellglied ausgesetzt ist, oder
die Polarität
der Spulen auf der Klappe 14 selbst umgeschaltet oder umgekehrt werden
können.
Somit kann die Polarität
und die Phase des in den Spulen fließenden Stroms in einer Gruppierung
von Stellgliedern geändert
oder variiert werden, um eine verteilte Bewegung in der Gruppierung
von Klappen zu erhalten.
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Darüber hinaus
ist die effektive interne Magnetisierung von Permalloy etwa 2,2
Oe (1 Oe = 7.96 × 101 Am–1), so daß es ein
weicher Magnet ist. Seine magnetische Polarität kann also leicht durch ein
aufgeprägtes Feld
verändert
werden. Falls die Polarisierung der Magnetisierung der Permalloyschicht
so beschaffen ist, daß die
Klappe sich nach unten in das Siliziumsubstrat dreht und von ihm
angehalten wird anstatt aus der Ebene herausgedreht zu werden, dann
wird eine instabile Hochenergiekonfiguration vom System angenommen.
Die Polarität
der Permalloyschicht ändert
sich spontan oder kehrt sich um, so daß die Klappe sich jetzt aus
der Ebene des Substrats herausdreht. Die Aufnahme mechanischer Anschläge zum Begrenzen
der Klappenbewegung nach unten stellt sicher, daß diese spontane Magnetisierumkehrung
stattfindet.
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Bei
dem beschriebenen Entwurf eines magnetischen Stellgliedes sind vier
Faktoren zu berücksichtigen:
zu diesen Faktoren gehören
magnetische, thermale, elektrische und fluidische Dynamik. Die magnetische Kraft,
die auf die Klappe in einem nicht-gleichförmigen magnetischen Feld einwirkt,
ist in der folgenden Gleichung (1) angegeben, in welcher B der magnetische
Flußdichtevektor,
N die Anzahl der Wicklungen der Spule, I der Strom, der durch die
Spule fließt,
Rav der Durchschnittsradius der Spule und
N der normale Vektor der Stromschlaufe ist.
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Mechanisch
muß die
Wahl der Federkonstanten der Klappe 14 ein Kompromiß sein.
Um eine große Verschiebung
zu erreichen, sollte die Klappe 14 eine kleine Federkonstante
aufweisen. Bei Vorhandensein einer großen Bandbreite ist jedoch eine
große
Federkonstante erforderlich. Die Kraftkonstante der Klappe 14 läßt sich
erzielen, indem ein angenähertes
Verbundschichtmodell verwendet wird, wie es bei W. C. Young, Roark's Formulas for Stress
and Strain [Roark's
Formeln für
Spannung und Dehnung], 6th Edition, McGraw Hill (1989), oder durch
Verwenden der Simulation finiter Elemente beschrieben ist. In der
zur Zeit bevorzugten Ausführungsform
sind alle Klappen 14 dazu ausgelegt, Kraftkonstanten im
Bereich von 0,001–0,010
Newton pro Meter aufzuweisen.
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Die
Eigenspannungen der verschiedenen Schichten tragen zu einem Biegemoment
bei, das auf die Klappe
14 einwirkt, was zur Folge hat,
daß die
Klappe
14 in Ruhestellung eine gebogene anstatt einer flachen Konfiguration
aufweist. Die Größe der Krümmung einer
dünnen
Platte aus zwei Materialschichten wird mit der folgenden Gleichung
(2) berechnet
in der F die seitliche Kraft
aufgrund der Eigenspannung ist, H die Gesamthöhe der zwei Materialschichten
ist, E
1 und I
1 der
Elastizitätsmodul
und das Trägheitsmoment
für die
obere Schicht, E
2 und I
2 der
Elastizitätsmodul und
das Trägheitsmoment
für die
untere Schicht und f die Krümmung
der Platte ist.
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Bei
Anstieg der Temperatur der Klappe 14 wird die wärmemäßige Nichtübereinstimmung
der verschiedenen Materialien in den Verbundschichten die Klappe
dazu veranlassen, sich nach unten zu biegen, was im Falle des Einsat zes
auf einer aerodynamischen Oberfläche
allgemein unerwünscht
ist. Bei gegebener Geometrie und Materialzusammensetzung kann dieses
Biegen berechnet werden, wie es bei S. Timoshenko, „Analysis
of Bi-Metal Thermostats" [Untersuchung
bimetallischer Thermostate], Journal O. S. A. and R. S. I. 11 at
233–55
(Sept. 1925) beschrieben ist. Geometrie und Materialzusammensetzung
sind daher so ausgewählt, daß das wärmebedingte
Biegen minimiert wird.
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Niedriger
elektrischer Widerstand ist wünschenswert,
um Wärmebildung
und somit das wärmebedingte
Biegen der Klappe 14 zu minimieren. Der Gesamtwiderstand
besteht aus dem Metallspulen-Widerstand, dem Kontaktwiderstand zwischen
dem Metall und dem dotierten Polysilizium sowie dem Widerstand der
Polysilikon-Klappe 14. Der Widerstand der Polysilizium-Klappe 14 trägt 60 bis
70 Prozent des Gesamtwiderstandes bei, der sich im Bereich von 30
bis 70 Ohm bewegt und daher den Hauptteil der Erwärmung ausmacht.
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Da
der Aufbau und die Auslegungsparameter des magnetischen Stellglieds 10 nun
allgemein beschrieben worden sind, soll jetzt das Verfahren seiner
Herstellung, wie in den 3a–3f dargelegt,
betrachtet werden. Eine 2,5 Mikron dicke Phosphosilikat-Glasschicht 28 ist
als Opferschicht mit einem abgemessenen Schwefelgehalt von 6 Prozent
bereitgestellt. Die Schicht 28 wird zunächst auf der Scheibenoberfläche unter
Einsatz einer chemischen Dampfauftragung bei niedrigem Druck aufgetragen
und wird gefolgt von einer chemischen Dampfauftragung bei niedrigen
Druck einer Polysiliziumschicht 30 mit einer Dicke von
6000 Angström
(1 Angström
= 1 × 10–10 m),
wie in 3b dargestellt, die bei 620°C aufgetragen
wird. Um die Polysiliziumschicht 30 zu dotieren, wird die
Scheibe mit einer 5000 Angström
dicken Schicht 32 aus Phosphosilikatglas überzogen,
wie in 3b dargestellt, und dann bei
950°C eine
Stunde lang geglüht,
um die Eigenspannung auszugleichen. Während des Glühens wird
die Polysiliziumschicht 30 durch Schwefeldiffusion dotiert
und der sich ergebende spezifische Widerstand des Films bewegt sich
in der Größenordnung
von 50,5 Ohm pro Quadratzentimeter. Die obere Glasschicht 32 wird
danach entfernt und die Polysiliziumschicht 30 wird durch
Fotolithographie gemustert, wie in 3c dargestellt.
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Danach
wird eine Siliziumnitridschicht 34 mit einer Dicke von
3000 Angström
unter chemischer Dampfauftragung bei niedrigem Druck und niedriger
Span nung bei 820°C
aufgetragen, um die Polysilizium-Klappe 14 zu überdecken
und zu isolieren. Das Nitrid wird dann gemustert, um die Kontaktlöcher zu
definieren, wie in 3d dargestellt.
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Dann
wird eine 4000 Angström
dicke Aluminiumschicht 36 durch Dampfauftragung aufgetragen
und gemustert, um die Spule 12 zu definieren, wie in 3c dargestellt.
Gepufferte Fluorwasserstoffsäure
und Oxidkissen-Ätzmittel,
Type 777 von Olin Hunt Specialty Products Inc., werden dann eingesetzt,
um die darunterliegende Opferschicht 28 wegzuätzen, um
Klappenloslösung
zu erzielen, wie in 3f dargestellt.
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Um
eine 200 × 200
Mikron große
Klappe 14 völlig
zu unterätzen,
benötigt
das Kissenätzmittel
annähernd
3 Stunden und die gepufferte Fluorwasserstoffsäure annähernd 30 Minuten. Die langsame Ätzrate sowie auch
die niedrige Selektivität über einer
Aluminiummetallisierung kann die Ausbeute beeinträchtigen.
Ausbeuten lassen sich verbessern, indem eine Chrom/Gold-Metallisierung
anstatt einer Aluminiumschicht 36 eingesetzt wird. Eine
100 Angström
dicke Haftschicht aus Chrom unter einer 4000 Angström dicken
Goldschicht kann in Kombination mit einem Ätzmittel aus 49-prozentiger
Fluorwasserstoffsäure
eingesetzt werden, um den Scheibenaufbau völlig zu unterschneiden, ohne
dabei die Metallisierung zu beschädigen, und um die Ausbeute zu
erhöhen.
In diesem Fall ist das Ätzverfahren
in etwa 2 Minuten beendet und das erforderliche Ätzen auf der Klappe 14 der
Polysilizium-Nitridschichten ist minimal.
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Das
darauffolgende Trocknungsverfahren ist auch wesentlich für das Erzielen
einer hohen Ausbeute. Verschiedene Trocknungstechniken sind bekannt,
beispielsweise solche die in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben
sind: G. T. Mulhern et al., „Supercritical
Carbon Dioxide Drying of Microstructures" [Superkritisches Kohlenstoffdioxid-Trocknen
von Mikrostrukturen], Technical Digest of Transducers '93 at 296–98 (1993);
C. Mastrangelo et al., „A
Dry Release Method Based on Polymer Columns for Microstructure Fabrication" [Ein auf Polymersäulen basierendes
Trockenloslösungsverfahren
für das
Herstellen von Mikrostrukturen], IEEE Microelectromechanical Systems
Workshop, Fort Lauderdale, Florida, at 77–81 (1992); R. L. Alley et
al., „The
Effect of Release-Etch Processing on Surface Microstructure Stiction" [Die Auswirkung
von Loslösungs-Ätz-Verarbeitung
auf die Oberflächenruhehaftung
bei Mikrostrukturen] IEEE Solid State Sensor and Actuator Workshop,
Hiltonhead Island, South Carolina, at 202–07 (1992); and T. Hirano et
al., „Dry
Releasing of Electroplated Rotational and Overhanging Structures" [Trockenes Loslösen von
galvanisch überzogenen Dreh-
und Auslegeraufbauten], IEEE Microelectromechanical Systems Workshop,
Fort Lauderdale, Florida, at 278–83 (1992).
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In
der bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet das Verfahren 20 Minuten langes Abspülen der geätzten Scheibe in entionisiertem
Wasser und in Azeton, jeweils gefolgt von einem 1 Minute langen
Abspülen
in Alkohol. Der Alkohol wird durch 10 Minuten langes Abspülen in entionisiertem
Wasser entfernt, und die Scheibe wird durch eine Infrarotlampe trockengebacken.
Die Ruhehaftung der Klappe an das Substrat ist fast vernachlässigbar
und eine Ausbeute von nahezu 100 Prozent wird erzielt. Trocknen
unter Einsatz einer Infrarotlampe kann in Verbindung mit einem Konvektionsofen
bei 120°C
durchgeführt
werden.
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Um
die Klappe 14 daran zu hindern, nach unten auf das Substrat 22 abzusacken
und somit während des
Herstellens eine dauerhafte Verbindung einzugehen, können Siliziumnitrid-Anbinder
eingesetzt werden, um die Klappe 14 während des Opferschicht-Ätzverfahrens
in 3f in seiner Position zu halten. In dem bevorzugten
Verfahren sind diese Anbinder typischerweise 100 Mikron lang, 6
Mikron breit und 30 Angström
dick, wobei sie dieselben Abmessungen aufweisen wie die Nitridschicht 34 mit
niedriger Spannung. Die Anbinder werden manuell mit Manipulatorproben
gebrochen, nachdem die Platten freigesetzt sind.
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Da
das manuelle Brechen der Anbinder in großformatigen Gruppierungen uneffizient
ist, können
sie durch Fotowiderstands-Anbinder mit denselben oder ähnlichen
Abmessungen substituiert und dann durch Sauerstoffplasma-Veraschung
entfernt werden, nachdem die Platten freigegeben und getrocknet
sind. Fotowiderstands-Anbinder sind jedoch nicht in der Lage, dem
Prozeß mit
49-prozentiger Fluorwasserstoffsäure standzuhalten
und es ist möglich,
daß die
meisten von ihnen sich innerhalb von 2 Minuten ablösen, wenn
sie der Ätze
ausgesetzt sind.
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Es
ist im Herstellungsprozeß beobachtet
worden, daß Eigenbiegen
der Klappen, das durch Eigenspannungen verursacht wird, im wesentlichen
von der Metallisierung unabhängig
ist. Daher kann Eigenbiegung nachgebildet werden, wobei ein Nitridpolysilizium-Laminat
für die
Klappe 14 angenommen wird. Weiterhin ist der Plattenbiegungsgrad
allgemein viel höher
als Balkenbiegen, und in der illustrierten Ausführungsform wurde festgestellt,
daß es
sich in der Größenordnung
von etwa 700 Mikron bewegt. Wenn Aluminiummetallisierung eingesetzt
wird, kann darauffolgendes Glühen,
um den Kontaktwiderstand von Aluminium nach Polysilizium zu verringern,
die Aluminiumspannung erheblich erhöhen, wodurch das Biegen um
annähernd
25 Prozent erhöht
wird.
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Die
wärmebedingte
Bewegung von Klappe 14 kann annähernd nachgebildet werden,
indem das Stellglied 10 als ein zweischichtiger Thermostat
angesehen wird, der aus einer Goldschicht und einer Nitrid/Polysilizium-Verbundschicht
besteht. Horizontale und vertikale Abbiegungen von mehr als 100
Mikron werden typischerweise beobachtet, was eine Temperatur von
300°C anzeigt.
Die Frequenzreaktion von Wärmeverstellung
des Bausteins für
eine Klappe von 300 Quadratmikron mit Auslegerbalken, die 200 Mikron
lang und 18 Mikron breit sind, hat eine Bandbreite von etwa 1 kHz
mit einer Resonanzfrequenz im ersten Modus bei etwa 1 kHz. Kleinere
Resonanzspitzen werden bei 180 Hz und 360 Hz beobachtet. Die Bewegung
der Klappe 14 wird das Ergebnis sowohl von Wärmewirkungen
als auch magnetischer Wirkungen sein. Die beiden lassen sich trennen,
indem zunächst
ein Gleichstrom an die Spule 12 angelegt und die Wärmebewegung
der Klappe beobachtet wird, bis sie zum Stillstand kommt. Danach
wird Strom an die elektromagnetische Spule 12 angelegt
und die Bewegung verfolgt.
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Das
externe elektromagnetische Feld ist sowohl von Dauer- als auch von
Elektromagneten erzeugt worden und befindet sich typischerweise
unter der Klappe 14, die dann mit Gleichströmen im Bereich
von 0 bis 50 mA stabilisiert wird. Die Feldstärken für das durch Elektromagnet erzeugte
Feld sind variabel, wobei der Spitzenwert bei einer Stromeingabe
von 2,5 A mit einem Dauermagneten 1,76 kGauss (1 Gauss = 1 × 10–4 T) ist,
wobei eine konstante magnetische Flußdichte von annähernd 2,8
kGauss bereitgestellt ist, wie es auf der Oberfläche des Dauermagneten gemessen
wird. Das Gefälle
des magnetischen Feldes B nahe der Klappe 14 ist etwa 280
Gauss pro Zentimeter. Bei einer magnetischen Flußdichte von 1,4 kGauss und
einem Spulenstrom von 40 mA (70 mW), der durch drei Windungen der
Spule 12 fließt,
durchläuft
eine Klappe, die eine Größe von 420
Quadratmikron aufweist und bei der Größe an zwei Balken 16 hängt, die
280 Mikron lang und 20 Mikron breit sind, einen vertikalen Ausschlag
von +/– 100
Mikron.
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Eine
typische, oben beschriebene Klappe 14 wird eine Luftströmung von
50 Metern pro Sekunde oder mehr überstehen,
wenn die Spulenseite der Klappe 14 in den Wind steht. Die
Klappe 14 wird sich um 180 Grad umfalten und bei einer
Luftströmung
von 20 Metern pro Sekunde in der entgegengesetzten Richtung brechen. Es
wird erwartet, daß eine
Verbesserung beim Eigenbiegen erreicht werden kann, indem Laminatschichten entwickelt
werden, die eine kombinierte Spannung von Null aufweisen.
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Das
beschriebene Stellglied verwendete eine elektromagnetische Spule 12;
die Spule 12 kann jedoch durch galvanisch überzogene
Dauermagnete ersetzt werden, um wärmebedingtes Biegen zu vermeiden. 4 zeigt
es als Draufsicht, wobei 5 ein Längsschnitt ist, der entlang
der Schnittlinien 5-5 in 4 gesehen ist. Wie vorher besteht
das magnetische Stellglied 10 in 4 aus einer
aufgehängten
Polysilizium-Platte mit einer Permalloyschicht 42, die
darüber
angeordnet ist. Ein externes, auf herkömmliche Weise erzeugtes magnetisches
Feld ist senkrecht zur Oberfläche
des Substrats 22 bereitgestellt und biegt die Klappe 14 aus der
Ebene des Substrats 22 ab.
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Die
Physik der magnetischen Verstellung ist in Verbindung mit den 6a–b illustriert. 6a zeigt das
Stellglied 10 in einer Ruhestellung in magnetischen Feldern
der Umgebung, wobei Elektromagnet 44 abgeschaltet ist. 6b ist eine vereinfachte Seitenansicht
des Stellglieds in 6a, wobei der Elektromagnet 44 angeschaltet
ist, um die magnetischen Kräfte
F1 und F2 auf der oberen Kante 46 und der unteren Kante 48 der
Klappe 14 zu erzeugen. Unter der Annahme, daß zwei magnetische
Pole entgegengesetzter Polarität
an den beiden Enden der Permalloyplatte 42 befestigt sind,
werden sich Kräfte
in der Richtung entwickeln, wie sie durch die Pfeile für F1 und
F2 in 6b angezeigt sind, welche die
Klappe 14 aus der Ebene des Substrats 22 abbiegen
werden. Die Klappe 14 kann im wesentlichen als starr angesehen
werden, so daß die
gesamte Biegung in den Balken 16 stattfindet. Das Ergebnis
ist ein Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn, das durch F1 entsteht,
und eine nach unten gerichtete Kraft, die durch F2 – F1 entsteht.
Das Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn überwiegt mit dem Ergebnis,
daß die
Balken 16 aus der Ebene heraus abgebogen werden. Die Abbiegung
nach unten bei Balken 16, die durch die nach unten gerichtete
Nettokraft verursacht wird, ist annähernd 8 bis 10 Mal kleiner
als jene, die durch das aus der Ebene heraus wirkende Drehmoment
verursacht wird.
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Die
maximale Dehnung von Balken 16 kann berechnet und ein maximaler
Biegewinkel bestimmt werden, bei welchem Materialbruch stattfindet.
Es kann rechnerisch vorausgesagt werden, daß Klappe 14 sich bis zu
118 Grad abbiegen kann, ehe im Fall von Siliziumbalken ein Bruch
stattfindet. Daraus ergibt sich, daß die Klappen 14 niemals
ihren Bruchpunkt in einem gleichförmigen magnetischen Feld erreichen
werden, bei dem die Feldlinien senkrecht zur Oberfläche des
Substrats 22 stehen. Es sollte jedoch angemerkt sein, daß in dem Fall,
wenn die Klappen 14 sich in einem Strömungsfeld befinden, durch Strömung hervorgerufene
Biegung und Schwingung theoretisch größer sein kann als ein Bruchwinkel.
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7a–d illustriert einen Hauptschritt bei der
Herstellung der Stellglieder in 4 und 5.
Herkömmliche
Oberflächen-Mikrobearbeitungsverfahren
werden eingesetzt, um die Platten/Balken-Strukturen aus Polysilizium
auf der Oberseite einer 3 Mikron dicken Opferschicht aus Phosphosilikatglas 46 herzustellen, die
auf dem Substrat 22 angeordnet ist, wie in 7a dargestellt.
Die Polysiliziumschicht 48 wird dann mit einer 0,5 Mikron
dicken Phosphosilikatglasschicht 50 überdeckt, wie in 7a dargestellt, die als komplementäre Schwefeldotierquelle
dient. Während
eines einstündigen
Spannungsfreiglühen
bei 1050°C
wird die Polysiliziumschicht 48 von beiden Seiten dotiert,
um Eigenbiegen aufgrund unausgewogener Dotierkonzentrationen zu
vermeiden. Die obere Phosphosilikatglasschicht 50 wird
später
mit einer Ätze
aus gepufferter Fluorwasserstoffsäure entfernt.
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Ein
dünner
Film aus 200 Angström
dickem Chrom und 1800 Angström
dickem Kupfer wird dann als Dampf über der Polysiliziumschicht 48 als
leitende Impfschicht 52 aufgetragen, wie in 7b dargestellt. Ein 5 Angström dicker
Fotowiderstand 54 wird selektiv aufgebracht und so gemustert,
daß Formrahmen
gebildet werden, worin Permalloy (Ni80Fe20) galvanisch überzogen wird. Eine Rahmengalvanisiertechnik,
die eingesetzt wird, ist in der Industrie für dünne magnetische Filme bekannt
und sie erzeugt Permalloyfilme hoher Qualität.
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Während des
Galvanisierverfahrens ist die Scheibe an der Kathode befestigt und
ist auf eine solche Art ausgerichtet, daß das externe magnetische Feld
parallel zu den Trägerbalken 16 verläuft. Die
Galvanisierrate beträgt
annähernd
5 Mikron pro Stunde bei einer Vorstromdichte von 8 mA pro Quadratzentimeter.
Das sich ergebende Permalloy hat eine gesättigte Magnetisierung von 1,35
Tesla, eine relative Durchlässigkeit
von 4500, eine kleine Restmagnetisierung zwischen 1 und 10 Gauss
und eine Koerzitivkraft von 4 Oe.
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Nach
dem Galvanisieren wird die Scheibe mit ultraviolettem Licht bestrahlt
und der Rahmenfotowiderstand 54 entfernt, wobei das gemusterte,
galvanisierte Permalloy 56 zurückbleibt, wie in 7c dargestellt. Die Impfschicht 52 wird
unter Verwendung eines Kupferätzmittels
und eines standardmäßigen Chrommaskenätzmittels
weggeätzt.
Die Klappen 14 werden dann durch 20 Minuten langes Ätzen in
einer 50-prozentigen Fluorwasserstoffsäure losgelöst, wie in 7d dargestellt.
Um das Opferloslösungsverfahren
zu erleichtern, gibt es Ätzlöcher 24 durch
die Klappe 14 in einer Größe von annähernd 30 Mikron mal 30 Mikron
in einem Abstand von 250 Mikron.
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Da
die Mikroklappen 14 große Oberflächenbereiche aufweisen und
die Trägerbalken 16 weich
sind mit einer Federkonstanten von etwa 100 Mikro-Newton pro Millimeter,
können
sie leicht durch Oberflächenspannung
nach unten zum Substrat hin gezogen werden und eine Dauerverbindung
bilden, falls herkömmliche Trocknungstechniken
nach dem letzten Ätzen
eingesetzt werden. Bei Raumtemperatur und -druck kann die erfindungsgemäße Trocknungstechnik
Ausbeuten von 100 Prozent bereitstellen.
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Frühere Versuche,
das Loslösungsproblem
zu lösen,
haben sich darauf konzentriert, die Flüssigkeits-Dampfphasen-Transformation
zu eliminieren, die ein Abbiegen in Klappe 14 hervorruft.
Zum Beispiel sind Flüssigkeitsgefrier/Sublimationstechniken
bei verschiedenen Temperaturen eingesetzt worden von Gucket et al., „The Application
of Fine-Grain, Tensile Polysilicon to Mechanically Resonant Transducers" [Das Aufbringen feinkörnigen,
zugfesten Polysiliziums auf mechanisch resonante Meßwertumformer],
Sensors and Actuators, Vol. 821, at 346–51 (1990), und Takeshimo et
al., „Electrostatic
Parallelogram Actuators" [Elektrostatische
Parallelogramm-Stellglieder], Transducers '91 at 63–6 (1991). Eine andere Lösung, die
auf einer Umwandlung von einer superkritischen Flüssigkeit
zu Luft beruht, ist eingesetzt worden, wie es gezeigt ist bei G.
T. Mulhern et al., „Supercritical
Carbon Dioxide Drying Microstructures" [Superkritisches Kohlendioxid beim
Trocknen von Mikrostrukturen], Tätigkeitsbericht,
Transducers '93
at 296 (1993). Zu Mulherns Verfahren gehört, dem durch die Oberflächenspannung
hervorgerufene Abbiegen während
des Trocknungsverfahrens entgegenzuwirken, indem polymerische Anker
eingesetzt werden, die danach durch Plasmaätzen entfernt werden können. Eine dritte
Lösung
beruht auf einer Oberflächenbehandlung,
welche das Bilden dauerhafter Verbindungen zwischen der Klappe 14 und
ihrem darunterliegenden Substrat in Schichten stoppt, nachdem sie
zusammengebracht worden sind. Siehe R. L. Alley et al., „The Effect
of Release-Etch Processing on Surface Microstructure Stiction" [Die Auswirkung
von Loslösungs-Ätz-Verarbeitung
auf die Oberflächenruhehaftung
bei Mikrostrukturen], IEEE Solid State Sensor and Actuator Workshop,
Hiltonhead Island, South Carolina, at 202–07 (1992).
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Trocknungsverfahren
werden die Mikrostrukturen der Klappe 14 daran gehindert,
auf das Substrat hinuntergezogen zu werden, indem sie während des
Trocknens durch magnetische Schwebung aus dieser Ebene bewegt werden.
Diese magnetische Schwebung wird bereitgestellt, indem ein dünner Film
mit Dauermagnet am Ende der Mikrostrukturen angebracht wird, was
bei einem magnetischen Stellglied von Natur aus sowieso dazugehört, und
indem dann ein externes magnetisches Feld angelegt wird, um die
Struktur leicht nach oben zu biegen.
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In
den Fällen,
in denen die Permalloyschicht 50 nicht als Teil des Endproduktes
gewünscht
wird, kann sie auf einer polymerischen Schicht aufgetragen werden
und später
durch Unterschneiden und Austreiben des darunterliegenden Polymers
durch Trockenätzen
entfernt werden. Falls eine Polymerschicht verwendet worden ist,
kann eine Loslösung
erreicht werden, indem eine trockene Plasmaätze anstatt einer nassen Ätze eingesetzt
wird. Die trockene Plasmaätze
kann nötigenfalls
mit der oben beschriebenen, magnetischen Loslösung kombiniert werden.
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Es
gibt andere magnetische Verbindungen, die anstelle von Permalloy
verwendet werden können. Diese
Verbindungen können
selektiv in den Strukturen aufgetragen und später mit Fluor- oder Chlorgasen
trockengeätzt
werden. Die genauen Parameter, die Auswahl des Gases, der Druck
und die Leistung können
so kalibriert werden, daß die
organische Verbindung mit einer viel schnelleren Rate geätzt wird
als andere freiliegende Materialien in dem Baustein.
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8a–i illustriert das Verfahren zum Herstellen
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, bei der Mehrfachspulen auf der Klappe 14 und
dem benachbarten Substrat 22 eingesetzt werden. Wie schon
vorher wird ein auf der Vorderseite poliertes Siliziumsubstrat 22 bereitgestellt,
wie in 8a dargestellt. Eine Polysilizium-Glasschicht 28 wird
in 8b aufgetragen. Eine Nitridschicht 34 wird
beim Schritt der 8c aufgetragen und
selektiv gemustert, indem herkömmliche
Fotolithographie-Techniken eingesetzt werden, wie in 8d dargestellt. Eine erste Metallisierung 36a,
die vorzugsweise ein Laminat von 10 nm Cr und 400 nm Au ist, um
mindestens eine erste Spule zu definieren, wird auf der Nitridschicht 34 aufgetragen
und selektiv gemustert, wie in 8e dargestellt.
Eine Fotowiderstandsschicht 70 wird auf die Oberfläche geschleudert
und gemustert, um die Kontaktlöcher 72 über der
Metallisierung 36a zu bilden. Eine zweite Metallisierung 36b vom derselben
Art wie die erste Metallisierung 36a wird dann aufgetragen,
aber mit einer langsameren Rate, um ein Anbrennen der Fotowiderstandsschicht 70 zu
vermeiden. Die zweite Metallisierung 36b ist gemustert,
wie in 8g dargestellt, und die Fotowiderstandsschicht 70 wird
entfernt, und die Opferschicht 28 wird selektiv entfernt,
um die Klappe 14 wie oben beschrieben und in 8h dargestellt zu schaffen, um ein doppelschichtiges
Spulenstellglied 10 zu erzeugen, wie in der Draufsicht
in 8i dargestellt.
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Es
liegt völlig
innerhalb des Umfangs der Erfindung, daß mehr als zwei Spulen oder
Metallisierungen 36 auf ähnliche Art auf Klappe 14 angeordnet
werden könnten.
Weiterhin können
eine oder mehrere Spulen 74 ähnlich angefertigt und auf
die benachbarten Bereiche der Scheibe angeordnet werden, wie in 8i dargestellt, obwohl es nicht in Verbindung
mit der Herstellung der Klappenspulen in 8a–h beschrieben ist. Die Spulen 74 würden dann
eingesetzt werden, um das magnetische Feld zu erzeugen, in welchem
die Klappe 14 betrieben würde. Die zweite Metallisierung 36b kann
als eine Luftbrücke über der
Metallisierung 36a gebildet werden. Luftbrücken für die Metallisierungen
können
sowohl für
die Spulen auf Klappe 14 als auch Spulen 74 eingesetzt
werden. Zum Beispiel können
einige der entstandenen Luftbrücken
die Spule der ersten Metallisierung nur in ihrem Mittelpunkt und
einer äußeren Spulenwindung
berühren,
wie in der Querschnittsansicht der 8h angezeigt,
oder sie können
Anker an Punkten im Mittenbereich einsetzen, um Durchsacken der
Brücke zu
verhindern, was zu einem Kurzschluß bei einer oder mehreren Windungen
der Spule führen
würde.
Die Luftbrücken
sind erheblich flexibler als die Balken 16 und würden daher
die Abbiegung der Klappe 14 nicht wesentlich beeinträchtigen.
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Da
die Erfindung jetzt bezüglich
des Aufbaus des Stellgliedes und seines Herstellungsverfahrens beschrieben
worden ist, sollen nun einige der Anwendungen betrachtet werden,
die verwirklicht werden können. Bei
der Deltaflügelanwendung
der illustrierten Ausführungsform
ist eine Gruppierung der oben beschriebenen Mikroklappen auf der
Flügeloberfläche angeordnet,
um sich 1 bis 2 Millimeter aus der Ebene des Flügels oder zumindest durch eine
beträchtliche
Dicke der Grenzschicht über
dem Flügel
abzubiegen. Das System kann enthalten eine Gruppierung von Scherspannungssensoren,
die auf dem Flügel
zum Erfassen der Turbulenz der Wirbel angeordnet sind, die sich über dem
Flügel
fortpflanzen. Ein auf dem Chip befindliches, neurales Netz verarbeitet
die Sensorsignale gemäß einem
eingebauten Rückkopplungsalgorithmus.
Die Ausgabe der Signale treibt die mikromagnetische Klappengruppierung
an, um die Wirbel zu verringern.
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In
der illustrierten Ausführungsform
wird angenommen, daß der
Deltaflügel
einen oberen Winkel von 67 Grad besitzt, wie in 9 dargestellt.
Zwei Nuten 58, die parallel zur Vorderkante 60 des
Flügels
verlaufen, werden beim Deltaflügel
auf der Unterseite geöffnet,
was in 10 besser dargestellt ist. Jede
Nute kann beispielsweise eine Größe von 250
Millimeter mal 4 Millimeter aufweisen und 5 Millimeter von der Vorderkante des
Flügels
entfernt sein. Eine Vielzahl von Elektromagneten 64 sind
in der Nut 58 in linearen Gruppierungen magnetischer Klappenstellglieder
angeordnet, die von der Art sind, wie sie oben in Verbindung mit
den 4–6 beschrieben
sind. Die Stellglieder 10 sind auf der Oberseite der Elektromagneten 60 angeordnet, und
zwar bündig
mit der Deltaflügeloberfläche. Ein
Strom wird an die Elektromagnete angelegt, um ein senkrechtes magnetisches
Feld durch die lineare Gruppierung der Stellglieder 10 mit
einer Feldstärke
von annähernd
2,1 mal 104 Ampere pro Meter auf der Stellgliedebene
zu erzeugen. Das Verstellen der Elektromagnete erzeugt ein Rollmoment
auf dem Flügel.
Ein sehr genau wiederholbares Verhältnis von Rollmoment zu Wirbelhebemoment
wird bei verschiedenen Luftströmungs-Geschwindigkeiten über dem
Flügel 63 erzeugt.
Das maximale Verhältnis
von Rollmoment zu Wirbelhebemoment betrug etwa 1,2 Prozent bei einer
Strömungsgeschwindigkeit
von 16 Metern pro Sekunde.
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Da
die Mikrostellgliedklappen 10 in der Nut 58 näher an der
Vorderkante 60 angeordnet sind, ist die örtliche
Strömungsgeschwindigkeit
höher und
die Grenzschicht ist dünner,
woraus sich ein signifikanteres Rollmoment ergibt. Rollmoment-zu-Wirbelhebemoment-Verhältnisse
von bis zu 10 Prozent können
bei Luftströmungs-Geschwindigkeiten
von 16 Metern pro Sekunde erreicht werden, wenn die passive Klappe
sich direkt auf der Vorderkante 60 befindet. In einem Deltaflügel-Jäger vom
Typ F15 wäre
dies ausreichend, um den Jäger in
etwa 1 Sekunde um 360 Grad zu drehen. Es wird erwartet, daß die Fluidbelastung
der Klappen 14 erhöht wird,
indem sowohl die Flexibilität
der Klappen 14 als auch ihre Robustheit erhöht wird
und indem die Permalloy/Magnetfeld-Wechselwirkung weiter erhöht wird.
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Daher
läßt es sich
jetzt richtig verstehen, daß unter
Verwendung von Mikromaschinen-Gruppierungen in der Größe von Stecknadelspitzen,
die computergesteuert sein können,
die fluiddynamische Steuerung von Flugzeugen, Schiffen und Fahrzeugen
auf intelligentere Weise vorgenommen werden kann, um den turbulenten
Strömungswiderstand
in solchen Fahrzeugen und anderen Vorrichtungen zu verringern. Die
Anwendung ist nicht auf die Steuerung von fluiddynamischen Oberflächenströmungen bei
Flugzeugen, Schiffen und Fahrzeugen beschränkt, sondern kann überall dort
eingesetzt werden, wo Fluid über
eine Oberfläche
strömt,
einschließlich
biomedizinischer Anwendungen wie beispielsweise in Gefäßsystemen,
Rohren, Schläuchen, Schutzrohren
und dergleichen.
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Die
Vorteile, die sich durch die Verringerung des turbulenten Strömungswiderstands
verwirklichen lassen, werden für
signifikant gehalten. Zum Beispiel können bei einem Flugzeug eine
Verringerung des turbulenten Strömungswiderstands
um nur 1 Prozent die Betriebskosten um 20 Prozent oder mehr verringern.
Weiterhin wird erwartet, daß bei
der Steuerung eines großen
Flugzeuges, das aus der Ebene sich bewegende, mikroverstellbare
Klappen verwendet, die Notwendigkeit für Ruder, Querruder, Höhenruder,
Klappen, Spoiler und ähnlicher
aerodynamischer Vorrichtungen, die von herkömmlichen Flugzeugen zur Steuerung
eingesetzt werden, eliminiert oder verringert wird, wobei diese
Vorrichtungen wesentlich zum Radarquerschnitt des Flugzeuges beitragen.
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Weiterhin
könnten
die Mikrostellglieder der Erfindung in den Flügeln einer Düsenturbine
installiert werden, um die Luft- und Kraftstoffströmung zu
verbessern, um höhere
Triebwerks-Betriebstemperaturen zu ermöglichen, die den Wirkungsgrad
erhöhen.
Andere Anwendungen dieser Bausteine könnten eingesetzt werden, um
den Auspufflärm
von Düsentriebwerken
zu dämpfen.
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Im
einzelnen können
Gruppierungen von Stellgliedern 10 auf einer Oberfläche angeordnet
sein, und zwar an einer Stelle nur etwas stromaufwärts in einer
Fluidströmung über diese
Oberfläche,
wo die Strömungstrennung
normalerweise auftreten würde.
Indem die Stellglieder 10 als Reaktion auf die Strömungsdynamik
mit einer ausgewählten
Frequenz oszilliert werden, kann eine Strömungstrennung in den Umständen vermieden werden,
in denen sie sonst auftreten würde,
was zu vielen sich daraus ergebenden Vorteilen führt, einschließlich eines
erhöhten
Wärmeaustauschs
zwischen dem Fluid und der Oberfläche.
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Die
Anwendungen der Erfindung sind nicht auf Aero- oder Strömungsdynamik
beschränkt,
sondern können
allgemein auf den Gebieten Optik und Mikrowellen eingesetzt werden.
Die 11a–e illustrieren
eine großvolumige
Mikrobearbeitungs-Anwendung, wobei eine Verschlußklappe, ein Spiegel oder eine
Antenne angefertigt werden. Ein <100> Siliziumsubstrat 22 mit
einer 35 Mikron starken Epitaxialschicht 78 aus Silizium und
einer 4 Mikron starken Ätzstopschicht 80 aus
Bor ist auf seinen Vorder- und Rückseiten
mit Fotowiderstand 82 überzogen
und für
die Definition der doppelten Fluchtmarkierungen gemustert, wie in 11a dargestellt. Die Scheibe wird dann
großvolumig
durch Plasmaätzen
bearbeitet, um die Membran 85 zu erzeugen, und die Fluchtmarkierungen
werden auf das Silizium übertragen,
wie in 11b dargestellt.
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Der
Fotowiderstand 82 wird entfernt und die Scheibe wird mit
einer 5000 Angström
dicken Siliziumdioxidschicht 84 oxidiert, eine 200 Angström dicke
Ti- und eine 1000 Angström
dicke Cu-Impfschicht 86 wird auf die Oxidschicht 84 durch
Dampfauftragung auf der Oxidschicht 84 angeordnet. Eine
Schicht 88 aus Fotowiderstand wird aufgeschleudert und
gemustert, um für
die Permalloyschicht 90 eine Form zu bilden, die später aufgetragen
wird, wie in
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11b dargestellt. Die Scheibe wird dann
mit 5–7
Mikron Permalloy galvanisiert und Fotowiderstand 88 wird
entfernt, um die gemusterte Permalloyschicht 90 auf der
Oberseite der Scheibe zu erzeugen, wie in 11c dargestellt.
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Die
freiliegenden Bereiche der Impfschicht 86 werden dann weggeätzt und
eine neue, 20 Mikron starke Fotowiderstandsschicht 92 wird
aufgeschleudert und gemustert, um eine reaktive Ionenätzmittelmaske
zu bilden, wie in 11d dargestellt.
Die Scheibe wird dann einer reaktiven Ionenätzung unterzogen, bis die Struktur
frei ist, wie in 11e dargestellt,
und die Schicht 92 wird entfernt.
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12 ist
eine Draufsicht des angefertigten Bausteins, der sich aus dem Verfahren
der 11a–e ergibt.
Die Scheibe 94 wird von der Verschlußklappe 96 getrennt,
welche die Permalloyplatte 98 trägt, und wird mithilfe von zwei
schlangenförmigen
Auslegerbalken 100 an die Scheibe 94 gekoppelt.
In dem großvolumig mikrobearbeiteten
Stellglied hat die Platte 98 eine Größe von 2,9 mm mal 1,6 mm und
ist 5–7
Mikron dick. Die Verschlußklappe 96 hat
eine Größe von 3
mm mal 1,8 mm und ist 39 Mikron dick. Die Balken 100 sind
120 Mikron breit und 39 Mikron dick.
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In
einer Ausführungsform
wurden mechanische Anschläge
unterhalb der Membran 85 aus Permalloybalken für die Verschlußklappe 96 angefertigt,
und zwar 8 Mikron breit und 200 Mikron lang in der Gestalt eines X
ausgebildet, um zu verhindern, daß sich die Verschlußklappe 96 niedriger
als die Ebene der Scheibe absenkt. Ein externes magnetisches Feld
von 500 Gauss ist ausreichend, um die Verschlußklappe 96 bei niedriger
Frequenz in der Größenordnung
von 1 mm aus der Ebene der Scheibe 94 mit einem Winkel
von 30 Grad abzubiegen. Eine Erhöhung
des Feldes auf 1000 Gauss verursacht Abbiegungen bis zu 60 Grad.
Verschlußklappen
ohne Anschläge
vibrieren ober- und unterhalb der Ebene der Scheibe, was von der
anfänglichen
Ausrichtung der Scheibe relativ zu dem Feld abhängt. Eine Neigung der Scheibe
nach unten ergab eine Abbiegung der Verschlußklappe nach unten und umgekehrt.
Verschlußklappen
mit Anschlägen
bewegen sich immer aus der Ebene der Scheibe heraus.
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Eine
oberflächen-mikrobearbeitete
Verschlußklappe
kann auch angefertigt werden, indem Techniken eingesetzt werden,
die denen für
oberflächen-mikrobearbeitete
Stellglieder ähnlich
sind, wie es in Verbindung mit den Figuren 1 und 4 beschrieben ist.
Eine hintere Scheibenöffnung
kann durch Nassätzen
der Rückseite der
Scheibe unterhalb der Klappe 14 gebildet werden. Die Leistung
der oberflächen-mikrobearbeiteten
Verschlußklappen
war vergleichbar mit den oben beschriebenen großvolumig bearbeiteten Verschlußklappen.
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Auch
wenn die Verschlußklappe
im Zusammenhang mit den 11a–e und 12 beschrieben
worden ist, kann die Verschlußklappe 94 so
verarbeitet werden, daß sie
als Spiegel fungiert, indem auf der glatten oder polierten Siliziumoberfläche eine
geeignete reflektive Oberfläche
bereitgestellt wird. Es wird angenommen, daß Anwendungen für steuerbare
Reflektoren bei Laserdiskettengeräten und optischer Kommunikation nützlich eingesetzt
werden können.
Alternativ könnten
weitere Verarbeitungsschritte Spulen oder Antennen hinzufügen, die
als ausrichtbare Gruppierungen von Hochfrequenzantennen eingesetzt
würden,
um Hochfrequenzstrahler oder -empfänger mit variablem Brennpunkt
zu schaffen. In den Fällen,
wo die Antennenelemente aus dotiertem Silizium hergestellt sind,
könnte
ihr Radarquerschnitt dann variiert werden, und zwar sowohl durch
Verändern
ihrer Leitfähigkeit,
indem Antischmelz-Technologien eingesetzt werden, und durch Verändern ihrer
Ausrichtung.
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Viele Änderungen
und Abänderungen
können
von Durchschnittsfachleuten vorgenommen werden, ohne dabei vom Umfang
der Erfindung abzuweichen. Daher sollte es sich verstehen, daß die illustrierte
Ausführungsform
nur als Beispiel vorgestellt ist und daß sie nicht als eine Einschränkung der
Erfindung angesehen werden sollte, die durch die folgenden Ansprüche definiert
ist.
