DE9218473U1 - Aerostatisches Miniaturlager - Google Patents
Aerostatisches MiniaturlagerInfo
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Description
Prof. Dr.-Ing. Joachim Heinzl 3. Februar 1994
Aerostatisches Miniaturlager
Die Erfindung betrifft ein aerostatisches Miniaturlager mit mindestens einer Mikrodüse in einer
Lagerfläche, die mit einer weiteren Lagerfläche zusammenwirkt.
Bisher werden Luftlagerungen dadurch hergestellt, daß in die metallische Lagerfläche Bohrungen eingebracht
werden und in diese Bohrungen Uhrensteine eingesetzt werden, die die Drosselfunktion ausüben.
TO Die Drosselfunktion wird oft auch durch direkt in
das Metall gebohrte Düsen erzielt. Ein anderes Herstellungsverfahren besteht darin, das gelagerte
Element oder das feststehende Teil der Lagerung aus gesintertem Metall auszuführen und durch einen
Walzvorgang und anschließendes Überfräsen mit einem Diamantwerkzeug die Mikrodüsen und die geometrische
Gestalt der Lagerfläche herzustellen.
Aus der japanischen Patentanmeldung JP 56-142071 (A) sind Mikrodüsen für Tintenstrahldrucker bekannt
geworden, die aus monokristallinem Silizium durch anisotropes Ätzen hergestellt sind und die jeweils
aus zwei zusammengefügten Teilen gebildet sind. Bei dieser gattungsfremden Anordnung ergibt sich zudem
keine ebene Austrittsfläche an der Außenseite, sondern
diese Fläche ist durch die Trennfuge unterbrochen.
In der EP 0 061 016 Bl ist ein aerostatisches Lager beschrieben, dessen poröser Grundkörper mit einer
Schicht versehen wird, in die durch Ätzen gezielt Düseneingänge gebracht werden. Die Genauigkeit derartiger
Lager als Mikroführung ist begrenzt.
Spezielle Düsenformen bzw. Durchbrüche ganz allgemein in der Mikromechanik können dem Buch von
Werner Krause "Konstruktionselemente der Feichmechanik" München; Wien; Hanser; 1989, Seiten 738-745
entnommen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aerostatische Lagerungen mit genau definierter Geometrie
der Lagerflächen und Düsen zur Einspeisung der Luft mit genau definierten Drosseleigenschaften zu erzeugen.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, bewegte Maschinenteile und mikromechanische Elemente mit
höchster Genauigkeit zu führen sowie eine große Steifigkeit der Lagerung zu erzielen.
Voraussetzung für das aerostatische Miniaturlager nach der Erfindung ist, daß es gelingt, an den Düsen
und im Lagerspalt laminare Strömung zu erzielen und
• ·
Turbulenz zu vermeiden. Turbulenzen in der Strömung bilden sich als Störbeschleunigung in Form von Rauschen
im Bereich von einigen kHz ab.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine der beiden Lagerflächen
aus monokristallinem Silizium gebildet ist, in das die mindestens eine Mikrodüse durch anisotropes
Ätzen eingebracht ist.
Durch das aerostatische Miniaturlager nach der Erfindung werden Lagerflächen möglich, deren Welligkeit
und Rauhheit im Bereich von Nanometern liegen. Durch eine feste Verbindung mit einem starren
Stützkörper läßt sich die Steifigkeit des dünnen Siliziumchips steigern, z.B. durch Aufbringen auf
einen Glaskörper. Durch die flächige Verteilung einer Vielzahl von exakt definierten Düsen wird es
möglich, turbulente Strömung zu vermeiden. Durch die Geometrie der Düsen mit dem engsten Querschnitt
unmittelbar beim Austritt der Luft in den Lagerspalt wird schädliches Totvolumen, auch Kammervolumen
genannt, optimal reduziert, so daß dynamisch steife und gegen selbsterregte Schwingungen stabile
Lager entstehen.
Durch die hohe Oberflächenqualität der Lagerfläche werden bei entsprechender Gegenfläche Spalthöhen
bis herab zu 100 nm möglich. Solche geringen Spalthöhen
werden bisher nur bei aerodynamischen Lagern, wie z.B. bei den Flugkörpern der Schreibleseköpfe
von Magnetplattenspeicher-Laufwerken erzielt. Während dort Relativgeschwindigkeiten von 10 m/s und
mehr erforderlich sind, um das nötige laminare Luftpolster aufzubauen, können die vorgeschla-
genen Lager diese Spalthöhe auch ohne Relativgeschwindigkeit stabil halten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand von sieben Figuren veranschaulicht.
Es zeigen
Figur 1
Figur 2
Figur 3
Figur 4
Figur 5
Figur 6
Figur 7
Figur 1
Figur 2
Figur 3
Figur 4
Figur 5
Figur 6
Figur 7
Anisotrop geätzte Mikrodüse in 100-Silizium
Anisotrop geätzte Mikrodüse in 110-Silizium
Mit Ätzstoppschicht hergestellte Mikrodüsen
Luftlagerelemente mit vielen Mikrodüsen
Selbsteinstellende Stützkonstruktion mit Luftlagerelement
Linearführung mit sechs selbsteinstellenden Lagerelementen
Linearführung aus anisotrop geätztem Silizium
Linearführung mit sechs selbsteinstellenden Lagerelementen
Linearführung aus anisotrop geätztem Silizium
In Fig. 1 ist eine mikromechanisch in 100-Silizium hergestellte Mikrodüse dargestellt. Durch eine geeignete
Maskierung und photolithographische Technik werden pyramidenförmige Durchbrüche durch den SiIiziumwafer
erzeugt, so daß die engste Stelle des Durchbruches die Düse 2 bildet. Diese Düse ist dem
Luftlagerspalt zugewandt.
In Fig. 2 ist eine mikromechanisch in 110-Silizium hergestellte Mikrodüse dargestellt. Durch eine geeignete
Maskierung und photolithographische Technik werden keilförmige Durchbrüche durch den Silizium-
wafer erzeugt, so daß die engste Stelle des Durchbruches die Düse 4 bildet. Diese Düse ist dem Luftlagerspalt
zugewandt.
In Fig. 3 bezeichnet 6 eine Ätzstoppschicht auf 100-Silizium, 8 bezeichnet ein Ätzstoppschicht auf
110-Silizium. Durch solche Schichten, z.B. durch bordotierte Oberflächenschichten, kann das anisotrope
Ätzen gestoppt werden. In die verbleibende Membran können anschließend durch photolithographische
Maskierung und anschließendes Ätzen genau definierte Düsen eingebracht werden.
In Fig. 4 bezeichnet 10 eine Mikrodüse in 100-Silizium, 12 bezeichnet eine Mikrodüse in 110-Silizium.
Durch die Anordnung vieler mikromechanisch hergestellter Düsen auf einem Siliziumchip
können Lagerelemente gebildet werden, die große Tragkraft und Steifigkeit aufweisen. Die Elemente
müssen auf eine Trägerstruktur aufgebracht werden, durch die jede einzelne Düse mit Luft versorgt
wird.
In Fig. 5 bezeichnet 22 ein mikromechanisch hergestelltes Luftlagerelement, das von einer selbsteinstellenden
Stützkonstruktion getragen wird. Das Luftlagerelement 22, das mit einer Vielzahl von
Mikrodüsen versehen ist, ist z.B. durch anodisches Bonden mit dem Stützkörper 18 aus Glas verbunden.
In den Stützkörper sind durch Photolithographie und einen Ätzprozeß Versorgungskanäle 20 für die Luft
eingebracht, so daß jede Düse mit Luft versorgt wird. Der Stützkörper 18 ist über eine sphärische
Kontaktfläche 16 mit dem Gegenstück 14 verbunden, wodurch sich Stützkörper mit Lagerelement so einstellen
oder eingestellt werden können, daß sich
ein paralleler Luftspalt 24 ergibt. Wenn die Einstellung erfolgt ist, kann diese Justierung durch
die Aushärtung eines Klebstoffes, der sich in der sphärischen Kontaktfläche 16 befindet, fixiert werden.
Die Zufuhr der Luft in die Verteilungskanäle 20 erfolgt durch zentrale Bohrungen in Stützkörper
18 und Gegenstück 14, die auch nach der Justage und Fixierung den Luftdurchtritt gewähren.
In Fig. 6 bezeichnet 28 einen feststehenden, quaderförmigen
Balken aus Metall, Glas, Granit oder Glaskeramik (Zerodur). Darauf sitzt ein Schlitten
26, der sich mit sechs selbsteinstellenden Luftlagerelementen 30 auf dem Balken abstützt. Durch die
selbsteinstellende Eigenschaft der Lagerelemente können Führungen höchster Genauigkeit mit geringem
Justieraufwand hergestellt werden.
In Fig. 7 bezeichnet 40 das Bett einer mikromechanischen Linearführung. 32 bezeichnet den bewegten
Schlitten der Linearführung. Schlitten 32 und Bett 40 sind aus 100-Silizium durch anisotropes Ätzen
hergestellt. Der Schlitten 32 wird vom Bett 40, das eine entsprechende Gestalt aufweist, so geführt,
daß er nur eine Linearbewegung ausführen kann. Die flächig verteilten Mikrodüsen sind auf 2 Reihen
aufgeteilt, in denen die Düsen möglichst eng nebenenander angeordnet sind. Durch diese anisotrop geätzten
Düsen 38 tritt Luft in den horizontalen Lagerspalt 34, in dem dadurch Überdruck herrscht. Die
Luft strömt durch den geneigten, parallelen Lager-spalt 36 ab, der eine Höhe von ca. 100 nm hat.
Durch den Herstellungsprozess des anisotropen Ätzens sind die geneigten Lagerspalte 36 sehr genau
und eben, so daß mit dieser Führung reproduzierbare Linearbewegungen mit einer Genauigkeit von einem
Nanometer erzielbar sind. Der horizontale Lagerspalt 34, der bei der Herstellung nicht so genau
gefertigt werden kann, hat deshalb eine größere Höhe. Eine solche Linearführung könnte mit integrierten
mikromechanischen Linear-Aktoren angetrieben werden.
Im Vergleich zum bisher Bekannten stellt die Erfindung einen mehrfachen technischen Fortschritt dar,
da sie es ermöglicht, Lagerungen herzustellen, die insbesondere in der Mikrotechnik zwei wesentliche
Funktionen erfüllen. Dies ist zum einen die Lagerung von bewegten Mikrostuktur-Elementen. Neuere
Arbeiten mit flächig verteilten Mikrodüsen haben gezeigt, daß nur Luftlagerungen ohne Totvolumen und
ohne Strömungsturbulenzen ohne mechanisches Rauschen arbeiten. Zum Erzielen dieser Lagereigenschaft
sind die aerostatischen Miniaturlager besonders gut geeignet. Die Erfindung ermöglicht es,
Luftlagerungen so genau herzustellen, daß mikromechanische Bauteile gelagert werden können, ohne daß
Verschleiß entsteht. Des weiteren können genaue Führungen im Nanometer-Bereich gebaut werden. Mit
der Rastertunnel-Mikroskopie können Oberflächen in atomarem Maßstab vermessen werden. Dazu bedarf es
der genauen und reproduzierbaren Bewegung einer Tunnel-Elektrode relativ zum Meßobjekt. Diese genauesten
Bewegungen werden bisher ausschließlich mit piezoelektrischen Aktoren erzeugt. Diese keramischen
Elemente, die sich unter der Wirkung eines elektrischen Feldes zusammenziehen oder ausdehnen,
sind in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt. Einerseits sind die Bewegungshübe begrenzt, andererseits
ist die Linearität nur bei geringen Auslenkungen gegeben. So ist die abtastbare Fläche bei
kommerziellen Mikroskopen auf 20&mgr;&pgr;&igr; &khgr; 20&mgr;&pgr;&igr; begrenzt.
Mit genauesten Luftlagerungen, die mikromechanisch hergestellt werden sollen, erscheint es möglich,
kleinste Linearführungen zu bauen, und sie durch Mikroaktoren anzutreiben. Die Führungen würden es
ermöglichen, einen beträchtlich größeren Bereich mit Rastertunnelmikroskopen abzutasten. Auch andere
Meßverfahren der Mikrotopographie (z.B. Interferenzmikroskop) , erreichen ihre Genauigkeit im Nanometerbereich
nur durch entsprechend genaue Führungen. Auch für mikrooptische Systeme wäre eine solche
extrem genaue Führung verwendbar, die optische Elemente, wie z.B. Tripelspiegel, hochgenau linear
verschieben könnte.
Literatur
/1/ Hopfner, J. : Fertigung von aerostatischen Lagern
aus poröser Sinterbronze mit oberflächenverdichteter Drosselschicht. Dissertation, München
1991.
/2/ Bartz, W.J.: Luftlagerungen. Esslingen, Expert Verlag 1982
/3/ Heinzl, J.; Lehmann, M.; Zehentbauer,H.: Verfahren
zur Herstellung aerostatischer Lager. DE-PS 3439648 (1984); US Pat. 4735862 (1988)
/4/ Heinzl, J.; Zehentbauer H.: Neue Ergebnisse bei der Entwicklung aerostatischer Lager. Feinwerktechnik
und Messtechnik 98 (1990) 10: 431-435.
/5/ Trausch, G. : Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Tröpfchenerzeugung in Tintenschreibeinrichtungen,
DE Patent 0,204,099 (1986)
/6/ Kowanz, B. u.a.: Linear Driving Device for Micro-Actuators. Techn. Dig. Micromechanics Europe
1990, Berlin 26.-27.11.1992.
/7/ Faucherre, M.; Koehler, B.: Delay Lines of the VLT Interferometer: Current Status. ESO The
Messenger No. 67, 1992.
Claims (11)
1. Aerostatisches Miniaturlager mit mindestens einer Mikrodüse in einer Lagerfläche, die mit einer
weiteren Lagerfläche zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden
Lagerflächen (22, 40) aus monokristallinem Silizium gebildet ist, in das die mindestens eine
Mikrodüse (2, 4, 10, 12, 38) durch anisotropes Ätzen eingebracht ist.
·] 0 2. Aerostatisches Miniaturlager nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß monokristallines Silizium der Ausrichtung 100 benutzt wird und
die Maskierung so erfolgt, daß pyramidenförmige Durchbrüche entstehen, die durch 111-Kristallebenen
begrenzt sind, wobei die etwas abgeflachte Spitze des pyramidenförmigen Durchbruchs die
genau definierte Mikrodüse (2, 10, 38) darstellt, die zum Lagerspalt (34) weist.
3. Aerostatisches Miniaturlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß monokristallines
Silizium der Ausrichtung 110 benutzt wird und die Maskierung so erfolgt, daß keilförmige
Durchbrüche entstehen, die durch 111-Kristall-
ebenen begrenzt sind und die Mikrodüse (12) in der Keilspitze entsteht, die zum Lagerspalt
weist.
4. Aerostatisches Miniaturlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genauen Abmessungen
der Düse (10, 12) durch einen strukturierten Ätzstopp (6, 8) erhalten werden.
5. Aerostatisches Miniaturlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Lagerflächen
aus monokristallinem Silizium bestehen und durch anisotropes Ätzen prismatisch geformt sind, so
daß sie nur eine Translation zulassen.
6. Aerostatisches Miniaturlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumchip
(22) mit den Mikrodüsen auf einen Stützkörper (18) aufgebracht ist, der eine Öffnung zur Einspeisung
der Luft und Kanäle (20) zur Verteilung der Luft auf die Durchbrüche im Silizium, die zu
den Mikrodüsen führen, aufweist.
7. Aerostatisches Miniaturlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (18)
aus Glas besteht, die Verteilerkanäle (20) durch Ätzen eingebracht sind und die Verbindung zwischen
Stützkörper (18) und Siliziumchip (22) durch anodisches Bonden hergestellt ist. 30
8. Aerostatisches Miniaturlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des
Stützkörpers (18) sphärisch gekrümmt ist, und in ein Gegenstück (14) so eingepaßt ist, daß die
Luftzufuhr durch Stützkörper (18) und Gegenstück (14) erfolgen kann und sich ein Kugelgelenk ergibt,
so daß sich das Lager selbst ausrichten kann.
9. Aerostatisches Miniaturlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beweglichkeit
zwischen Stützkörper (18) und Gegenstück (14) beseitigt wird, wenn sich das Lager selbst ausgerichtet
hat und so die Ausrichtung fixiert wird.
10. Aerostatische Miniaturlager nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet/ daß in die mikromechanische Führung ein mikromechanischer Aktor integriert ist, der die Linearbewegung antreibt.
dadurch gekennzeichnet/ daß in die mikromechanische Führung ein mikromechanischer Aktor integriert ist, der die Linearbewegung antreibt.
11. Aerostatisches Miniaturlager nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer der Lagerflächen Mikrodüsen (10, 12) flächig verteilt angeordnet sind.
dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer der Lagerflächen Mikrodüsen (10, 12) flächig verteilt angeordnet sind.
• ·
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| DE9218473U DE9218473U1 (de) | 1992-07-06 | 1992-07-06 | Aerostatisches Miniaturlager |
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| DE9218473U DE9218473U1 (de) | 1992-07-06 | 1992-07-06 | Aerostatisches Miniaturlager |
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| DE9218473U1 true DE9218473U1 (de) | 1994-06-09 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
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- 1992-07-06 DE DE9218473U patent/DE9218473U1/de not_active Expired - Lifetime
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