WO1990009058A1 - Dielectric motor with one or more central electrodes - Google Patents

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WO1990009058A1
WO1990009058A1 PCT/DE1990/000068 DE9000068W WO9009058A1 WO 1990009058 A1 WO1990009058 A1 WO 1990009058A1 DE 9000068 W DE9000068 W DE 9000068W WO 9009058 A1 WO9009058 A1 WO 9009058A1
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electrodes
rotor
dielectric
motor according
dielectric motor
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PCT/DE1990/000068
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Wolfgang Benecke
Bernhard Wagner
Günter FUHR
Rolf Hagedorn
Roland Glaser
Jan Gimsa
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/004—Electrostatic motors in which a body is moved along a path due to interaction with an electric field travelling along the path

Definitions

  • Dielectric motor with one or more central electrodes Dielectric motor with one or more central electrodes
  • Fields of application of the invention are e.g. B. microelectronics, in which miniaturized dielectric motors can be used as micro-mechanical drive, control, switching and sensor systems. However, they can also be used as miniature motors in fields such as microsurgery, chemistry and genetic engineering.
  • Dielectric motors have been known for a long time, but were practically not used due to serious disadvantages (very low torque, undefined direction of rotation). Their theoretical description goes back to Heinrich Hertz / Hertz, Wied. Ann. 13 (1881) 266 /.
  • motors whose rotor consists of a dielectric and is mounted between two or more electrodes.
  • the electrodes are driven with constant voltages.
  • the rotors are rotated either after mechanical turning or via auxiliary electrodes which, for. B. induce a flow of the surrounding solution of the rotor, via which the rotor is turned on / QUINCKE, Wied. Ann. 59 (1896) 417; SECKER and SCIALOM, J. Appl. Physics 39 (1968) 277; SECKER and BELMONT, J. Phys. D: Appl. Phys. 3 (1970) 216 /.
  • the rotor is usually surrounded by a gaseous or liquid medium and is in a vacuum / QUINCKE, Wied. Ann. 59 (1896) 417 /.
  • Spare sheet recognized this type of motor as an advantage and developed micro-mechanical components in chip form / GEO 10 (1988) 188; US Pat. No. 4,740,410 /, using rotating electric fields, produced via multi-electrode systems, so that / 3 starting devices can be omitted.
  • Rotating electric fields have been used to study biological objects such as cells since 1982 / ARNOLD and ZIMMERMANN, Z. Naturforsch. 37c (1982) 908, but are also common in conventional motors based on the magnetic induction principle.
  • the aim of the invention is the cost-effective development of an improved dielectric miniature motor, which has expanded application possibilities and a higher torque.
  • the object of the invention is to develop a dielectric motor with a rotational characteristic that can be influenced and a higher torque, which has rotational states that can be controlled easily and precisely and that can be used universally in a miniaturized form.
  • the object is achieved by arranging one or more electrodes outside and inside the dielectric rotor, relative to which the rotor can move. If, for example, a hollow cylindrical dielectric rotor is used in which a rotating field is generated via inner and outer electrodes, the field resulting from the superimposition can be used to multiply the torque as a function of the electrode spacing compared to known variants of dielectric motors .
  • Spare sheet According to the invention, it is possible to use an annular electrode either inside or outside and to feed the rotating field either via the inner electrodes or the outer electrodes or both.
  • the dielectric structure and the geometry of the rotor in connection with the number, arrangement and control of electrodes determine whether the rotor runs continuously or discontinuously.
  • the electrodes are surrounded by a medium (liquid, gas, vacuum), which according to the invention can be different in the space between the inner electrodes and the rotor and the outer electrodes and the rotor, as a result of which the rotation characteristic of the motor is changed and a large number changes of possible combinations.
  • a medium liquid, gas, vacuum
  • the semiconductors and insulators customary in microelectronics are suitable as dielectrics.
  • the rotation spectrum of the motor (rotation as a function of the circular frequency of the electric field) is adjustable and can be adapted to the requirements.
  • Fig. 1 dielectric motor with central electrode in top view and side view
  • the motor consists of four outer electrodes 2a, 2b, 2c and 2d between which there is a dielectric rotor 4 with a central bore 5, in which the inner electrode 1 is arranged in a fixed manner (FIG. 1).
  • the rotor 4 is surrounded by a medium 6, which is either also in the space 5 or is different from this.
  • the medium 6 can be a liquid or a gas.
  • the electrode 1 can also be used as a guide for the rotor.
  • the rotor 4 is mounted on a substrate 8 (eg glass), the electrodes are separated by an insulating material 3.
  • the inner electrode 1 can be set to a freely selectable potential and the torque can thus be increased.
  • Fig. 2 dielectric motor with a plurality of inner electrodes and an outer ring electrode in plan view and side view
  • the motor (FIG. 2) consists of an outer electrode 2, a dielectric rotor 4 which has the shape of a hollow cylinder and four inner electrodes la, lb, lc, and ld, which are insulated from one another (medium 9).
  • the rotor can move about the axis of rotation 7.
  • the space between the rotor and the outer electrode 2 is filled with the medium 6, the space between the inner electrodes 1 and the rotor 4 with the medium 5, 5 and 6 being generally the same.
  • the storage takes place on glass 8.
  • the motor is driven via the inner electrodes 1 via a continuously or discontinuously rotating field. It is the inverse variant of embodiment 1 with similar advantages.
  • Fig. 3 dielectric motor with several outer and inner electrodes in plan view and side view
  • the motor consists of two electrode groups, the outer electrodes 2a, 2b, 2c and 2d and the inner electrodes la, lb, lc and ld (Fig. 3).
  • the dielectric rotor 4 can rotate about the axis of rotation 7 supported on a substrate 8. There is again an ambient medium 5 and 6. The rotor can be the same over two rotating fields that are phase-shifted from one another
  • Substitute baton Frequencies that are generated via the outer 2 and inner electrodes 1 are set in continuous rotation.
  • the torque can be increased compared to the previous variants.
  • Corresponding fields can be generated by e.g. B. the electrodes la and 2b, lb and 2a, lc and 2d as well as ld and 2c are electrically connected to one another and four sinusoidal voltages are shifted to the electrode pairs.
  • the choice of the control of the inner and outer electrodes can be used to force a change between the continuous running of the rotor and step operation. At the same time, the rotation characteristic of the rotor can be changed.
  • Fig. 4 dielectric motor as a liquid or gas pump with chamber-like electrodes in plan view and side view
  • the motor consists of a rotor 4 and eight electrodes 2a-2h engaging like a comb in the rotor 4 (FIG. 4).
  • the dielectric rotor rotates about the axis 7.
  • the rotor is set in rotation by a rotating electric field.
  • the motor works according to the compressor principle, so that a flow F of the ambient solution 6 (liquid or gas) is generated and the motor can be used as a pump.
  • the torque can be increased by the additional use of central electrodes.
  • the dielectric elements of the motor are manufactured using manufacturing methods of semiconductor technology and micromechanics.
  • silicon possibly provided with thin insulation layers such as Si0 2 or Si 3 4 , or glass is used as the substrate.
  • the electrodes are structured using photolithographic methods and galvanically, e.g. B. molded with gold.
  • the electrode geometry can thus be defined with micrometer accuracy. Using depth lithography, electrode heights of several hundred micrometers can be achieved.
  • the rotor is also made from dielectric materials using micromechanical processes. Layers such as Si0 2 , Si 3 N 4 or Ti0 2 can be produced and structured up to thicknesses in the micrometer range. Thicker rotors can be made from photoresist with depth lithography.
  • the system can be encapsulated with a second wafer that is bonded onto the substrate wafer.
  • silicon as a substrate material offers the special possibility of integrating electrical circuits for controlling and regulating the motor together with the mechanical elements on a common substrate (wafer).

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  • Micromachines (AREA)

Abstract

A dielectric motor comprises a rotor (4) which is surrounded by one or more electrodes (2a-d) and which has an opening in the interior (5) containing one or more electrodes (1) about which the rotor (4) can move. Possible fields of application are microelectronics, micromechanics, etc. The essential features of the invention are that the rotor (4) can be controlled as desired by the inner electrodes (1) and/or the electrodes (2a-d) which surround it using electric fields. The combination of different dielectric materials together with suitable rotor geometry in conjunction with the type of field excitation permit stepwise, discontinuous or uniform operation of the rotor (4). The inner electrodes (1) result in increased torque. The motor can be miniaturized to a few micrometres.

Description

Dielektrischer Motor mit einer oder mehreren Zentralelektroden Dielectric motor with one or more central electrodes
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Anwendungsgebiete der Erfindung sind z. B. die Mikroelektro¬ nik, in der miniaturisierte dielektrische Motoren als mikro¬ mechanische Antriebs-, Steuer-, Schalt- und Sensorsysteme An¬ wendung finden können. Sie können jedoch auch als Miniatur¬ motor auf Gebieten wie der Mikrochirurgie, Chemie und Gen¬ technik genutzt werden.Fields of application of the invention are e.g. B. microelectronics, in which miniaturized dielectric motors can be used as micro-mechanical drive, control, switching and sensor systems. However, they can also be used as miniature motors in fields such as microsurgery, chemistry and genetic engineering.
Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known prior art
Dielektrische Motoren sind seit langem bekannt, wurden jedoch auf Grund gravierender Nachteile (sehr geringes Drehmoment, nicht festgelegter Drehsinn) praktisch nicht genutzt. Ihre theoretische Beschreibung geht auf Heinrich Hertz zurück /Hertz, Wied. Ann. 13 (1881) 266/.Dielectric motors have been known for a long time, but were practically not used due to serious disadvantages (very low torque, undefined direction of rotation). Their theoretical description goes back to Heinrich Hertz / Hertz, Wied. Ann. 13 (1881) 266 /.
Es handelt sich dabei um Motoren, deren Rotor aus einem Dielektrikum besteht und zwischen 2 oder mehreren Elektroden gelagert ist. Die Elektroden werden mit konstanten Spannungen angesteuert. Die Drehung der Rotoren erfolgt entweder nach mechanischem Andrehen oder über Hilfselektroden, die z. B. eine Strömung der Umgebungslösung des Rotors induzieren, über die der Rotor angedreht wird /QUINCKE, Wied. Ann.59 (1896) 417; SECKER and SCIALOM, J. Appl. Physics 39 (1968) 277; SECKER and BELMONT, J. Phys. D: Appl. Phys. 3 (1970) 216/. Der Rotor ist in der Regel von einem gasförmigen oder flüssi¬ gen Medium umgeben und befindet sich im Vakuum /QUINCKE, Wied. Ann. 59 (1896) 417/.These are motors whose rotor consists of a dielectric and is mounted between two or more electrodes. The electrodes are driven with constant voltages. The rotors are rotated either after mechanical turning or via auxiliary electrodes which, for. B. induce a flow of the surrounding solution of the rotor, via which the rotor is turned on / QUINCKE, Wied. Ann. 59 (1896) 417; SECKER and SCIALOM, J. Appl. Physics 39 (1968) 277; SECKER and BELMONT, J. Phys. D: Appl. Phys. 3 (1970) 216 /. The rotor is usually surrounded by a gaseous or liquid medium and is in a vacuum / QUINCKE, Wied. Ann. 59 (1896) 417 /.
Der Nachteil dieser Motoren besteht, neben der nicht fest¬ gelegten Drehrichtung und den notwendigen Hilfsvorrichtungen beim Start, in der schwierigen Regelung der Rotations¬ geschwindigkeit, da diese vom Quadrat der Feldstärke abhängt. In jüngster Zeit wurde die extreme MiniaturisierbarkeitThe disadvantage of these motors, in addition to the unspecified direction of rotation and the necessary auxiliary devices at the start, is the difficult regulation of the rotational speed, since this depends on the square of the field strength. In recent times, extreme miniaturization
Ersatzblatt dieses Motortyps als Vorteil erkannt und mikromechanische Bauteile in Chipform entwickelt /GEO 10 (1988) 188; US-Patent Nr. 4,740,410/, dabei kamen rotierende elektrische Felder, produziert über Mehrelektrodensysteme, zur Anwendung, so da/3 Startvorrichtungen entfallen können.Spare sheet recognized this type of motor as an advantage and developed micro-mechanical components in chip form / GEO 10 (1988) 188; US Pat. No. 4,740,410 /, using rotating electric fields, produced via multi-electrode systems, so that / 3 starting devices can be omitted.
Rotierende elektrische Felder werden seit 1982 zur Unter¬ suchung von biologischen Objekten wie Zellen verwendet /ARNOLD und ZIMMERMANN, Z. Naturforsch. 37c (1982) 908, sind jedoch auch bei herkömmlichen Motoren nach dem magnetischen Induktionsprinzip gebräuchlich.Rotating electric fields have been used to study biological objects such as cells since 1982 / ARNOLD and ZIMMERMANN, Z. Naturforsch. 37c (1982) 908, but are also common in conventional motors based on the magnetic induction principle.
Ziel der ErfindungAim of the invention
Das Ziel der Erfindung ist die kostengünstige Entwicklung eines verbesserten dielektrischen Miniaturmotors, der erwei¬ terte Anwendungsmöglichkeiten und ein höheres Drehmoment besitzt.The aim of the invention is the cost-effective development of an improved dielectric miniature motor, which has expanded application possibilities and a higher torque.
Darlegung des Wesens der ErfindungState the nature of the invention
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines dielektrischen Motors mit beeinflußbarer Rotationskennlinie und höherem Drehmoment, der über Rotationszustände verfügt, die einfach und exakt zu regeln sind und der in miniaturi¬ sierter Form universell eingesetzt werden kann.The object of the invention is to develop a dielectric motor with a rotational characteristic that can be influenced and a higher torque, which has rotational states that can be controlled easily and precisely and that can be used universally in a miniaturized form.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem außerhalb und innerhalb des dielektrischen Rotors eine oder mehrere Elek¬ troden angeordnet werden, relativ zu denen der Rotor sich bewegen kann. Verwendet man beispielsweise einen hohlzylin- derartigen dielektrischen Rotor bei dem über innere und äußere Elektroden jeweils ein Drehfeld erzeugt wird, so kann das aus der Überlagerung resultierende Feld in Abhängigkeit vom Elektrodenabstand im Vergleich zu bekannten Varianten dielektrischer Motoren zu einer Vervielfachung des Drehmomen¬ tes genutzt werden.According to the invention, the object is achieved by arranging one or more electrodes outside and inside the dielectric rotor, relative to which the rotor can move. If, for example, a hollow cylindrical dielectric rotor is used in which a rotating field is generated via inner and outer electrodes, the field resulting from the superimposition can be used to multiply the torque as a function of the electrode spacing compared to known variants of dielectric motors .
Ersatzblatt Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit entweder innerhalb oder außerhalb eine ringförmige Elektrode zu verwenden und entweder über die inneren Elektroden oder die äußeren Elek¬ troden oder beide das Drehfeld einzuspeisen. Der dielektri¬ sche Aufbau und die Geometrie des Rotors in Verbindung mit der Elektrodenzahl, -anordnung und -ansteuerung entscheiden über kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Lauf des Rotors.Spare sheet According to the invention, it is possible to use an annular electrode either inside or outside and to feed the rotating field either via the inner electrodes or the outer electrodes or both. The dielectric structure and the geometry of the rotor in connection with the number, arrangement and control of electrodes determine whether the rotor runs continuously or discontinuously.
Die Elektroden sind von einem Medium (Flüssigkeit, Gas, Vakuum) umgeben, das erfindungsgemäß im Raum zwischen den inneren Elektroden und dem Rotor und den äußeren Elektroden und dem Rotor unterschiedlich sein kann, wodurch die Rota¬ tionscharakteristik des Motors verändert wird und sich eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten ergeben.The electrodes are surrounded by a medium (liquid, gas, vacuum), which according to the invention can be different in the space between the inner electrodes and the rotor and the outer electrodes and the rotor, as a result of which the rotation characteristic of the motor is changed and a large number changes of possible combinations.
Als Dielektrika kommen die in der Mikroelektronik gebräuch¬ lichen Halbleiter und Isolatoren in Frage.The semiconductors and insulators customary in microelectronics are suitable as dielectrics.
Das Rotationsspektrum des Motors (Rotation als Funktion der Kreisfreguenz des elektrischen Feldes) ist einstellbar und kann den Erfordernissen angepaßt werden.The rotation spectrum of the motor (rotation as a function of the circular frequency of the electric field) is adjustable and can be adapted to the requirements.
Ausführungsbeispieleembodiments
Beispiel 1example 1
Fig. 1 Dielektrischer Motor mit Zentralelektrode in Draufsicht und SeitenansichtFig. 1 dielectric motor with central electrode in top view and side view
Der Motor besteht aus vier äußeren Elektroden 2a, 2b, 2c und 2d zwischen denen sich ein dielektrischer Rotor 4 mit einer zentralen Bohrung 5 befindet, in der die innere Elektrode 1 feststehend angeordnet ist (Fig. 1) . Der Rotor 4 ist von einem Medium 6 umgeben, das sich entweder auch im Raum 5 befindet oder zu diesem unterschiedlich ist. Das Medium 6 kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Die Elektrode 1 kann gleichzeitig als Führung des Rotors genutzt werden. Der Rotor 4 ist auf einem Substrat 8 (z. B. Glas) gelagert, die Elek¬ troden sind über ein isolierendes Material 3 getrennt. Bei diskontinuierlicher Feldanregung (von Elektrode zu Elektrode springender Feldvektor) kann die innere Elektrode l auf ein frei wählbares Potential gelegt und damit das Drehmoment erhöht werden.The motor consists of four outer electrodes 2a, 2b, 2c and 2d between which there is a dielectric rotor 4 with a central bore 5, in which the inner electrode 1 is arranged in a fixed manner (FIG. 1). The rotor 4 is surrounded by a medium 6, which is either also in the space 5 or is different from this. The medium 6 can be a liquid or a gas. The electrode 1 can also be used as a guide for the rotor. The rotor 4 is mounted on a substrate 8 (eg glass), the electrodes are separated by an insulating material 3. In the case of discontinuous field excitation (field vector jumping from electrode to electrode), the inner electrode 1 can be set to a freely selectable potential and the torque can thus be increased.
Beispiel 2Example 2
Fig. 2 Dielektrischer Motor mit mehreren inneren Elektroden und einer äußeren Ringelektrode in Draufsicht und SeitenansichtFig. 2 dielectric motor with a plurality of inner electrodes and an outer ring electrode in plan view and side view
Der Motor (Fig. 2) besteht aus einer äußeren Elektrode 2, einem dielektrischen Rotor 4, der die Form eines Hohlzylin- ders besitzt und vier inneren Elektroden la, lb, lc, und ld, die zueinander isoliert sind (Medium 9) . Der Rotor kann sich um die Rotationsachse 7 bewegen. Der Raum zwischen dem Rotor und der äußerden Elektrode 2 ist mit dem Medium 6 gefüllt, der Raum zwischen den inneren Elektroden 1 und dem Rotor 4 mit dem Medium 5, wobei 5 und 6 in der Regel gleich sind. Die Lagerung erfolgt auf Glas 8. In diesem Fall wird der Motor über die inneren Elektroden 1 über ein kontinuierlich oder diskontinuierlich rotierendes Feld angetrieben. Es handelt sich um die inverse Variante zu Ausführungsbeispiel 1 mit ähnlichen Vorteilen.The motor (FIG. 2) consists of an outer electrode 2, a dielectric rotor 4 which has the shape of a hollow cylinder and four inner electrodes la, lb, lc, and ld, which are insulated from one another (medium 9). The rotor can move about the axis of rotation 7. The space between the rotor and the outer electrode 2 is filled with the medium 6, the space between the inner electrodes 1 and the rotor 4 with the medium 5, 5 and 6 being generally the same. The storage takes place on glass 8. In this case, the motor is driven via the inner electrodes 1 via a continuously or discontinuously rotating field. It is the inverse variant of embodiment 1 with similar advantages.
Beispiel 3Example 3
Fig. 3 Dielektrischer Motor mit mehreren äußeren und inneren Elektroden in Draufsicht und SeitenansichtFig. 3 dielectric motor with several outer and inner electrodes in plan view and side view
Der Motor besteht aus zwei Elektrodengruppen, den äußeren Elektroden 2a, 2b, 2c und 2d und den inneren Elektroden la, lb, lc und ld (Fig. 3) . Der dielektrische Rotor 4 kann sich um die Rotationsachse 7 auf -einem Substrat 8 gelagert drehen. Es gibt wieder ein Umgebungsmedium 5 und 6. Der Rotor kann über zwei zueinander phasenverschobene Drehfelder gleicherThe motor consists of two electrode groups, the outer electrodes 2a, 2b, 2c and 2d and the inner electrodes la, lb, lc and ld (Fig. 3). The dielectric rotor 4 can rotate about the axis of rotation 7 supported on a substrate 8. There is again an ambient medium 5 and 6. The rotor can be the same over two rotating fields that are phase-shifted from one another
Ersatzbfatf Freguenz, die über die äußeren 2 und inneren Elektroden 1 erzeugt werden, in kontinuierliche Rotation versetzt werden. Das Drehmoment kann gegenüber den vorherigen Varianten noch erhöht werden. Entsprechende Felder lassen sich erzeugen, indem z. B. die Elektroden la und 2b, lb und 2a, lc und 2d sowie ld und 2c miteinander elektrisch verbunden werden und vier jeweils um 90°-phasenverschobene Sinusspannungen an die Elektrodenpaare arigelegt werden.Substitute baton Frequencies that are generated via the outer 2 and inner electrodes 1 are set in continuous rotation. The torque can be increased compared to the previous variants. Corresponding fields can be generated by e.g. B. the electrodes la and 2b, lb and 2a, lc and 2d as well as ld and 2c are electrically connected to one another and four sinusoidal voltages are shifted to the electrode pairs.
Es ergeben sich eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten, von denen nur eine erwähnt werden soll.There are a variety of possible combinations, only one of which should be mentioned.
Setzt man den dielektrischen Rotor 4 aus mehreren Sektoren verschiedener Dielektrizitätskonstante und/oder elektrischer Leitfähigkeit zusammen, so kann über die Wahl der Ansteuerung der inneren und äußeren Elektroden ein Wechsel von kontinu¬ ierlichem Lauf des Rotors und Schrittbetrieb erzwungen wer¬ den. Gleichzeitig kann die Rotationscharakteristik des Rotors verändert werden.If the dielectric rotor 4 is composed of several sectors of different dielectric constants and / or electrical conductivity, the choice of the control of the inner and outer electrodes can be used to force a change between the continuous running of the rotor and step operation. At the same time, the rotation characteristic of the rotor can be changed.
Beispiel 4Example 4
Fig. 4 Dielektrischer Motor als Flüssigkeits- oder Gaspumpe mit kammerartigen Elektroden in Draufsicht und SeitenansichtFig. 4 dielectric motor as a liquid or gas pump with chamber-like electrodes in plan view and side view
Der Motor besteht aus einem Rotor 4 und acht kammartig in den Rotor 4 eingreifenden Elektroden 2a-2h (Fig. 4) . Der dielek¬ trische Rotor dreht um die Achse 7. Im Rotor 4 und den Elek¬ troden 2 befinden sich Bohrungen B. Über ein rotierendes elektrisches Feld wird der Rotor in Drehung versetzt. Der Motor arbeitet nach dem Verdichterprinzip, so daß eine Strö¬ mung F der Umgebungslösung 6 (Flüssigkeit oder Gas) erzeugt wird und der Motor als Pumpe genutzt werden kann. Das Dreh-, moment kann über die zusätzliche Verwendung von Zentralelek¬ troden erhöht werden.The motor consists of a rotor 4 and eight electrodes 2a-2h engaging like a comb in the rotor 4 (FIG. 4). The dielectric rotor rotates about the axis 7. In the rotor 4 and the electrodes 2 there are bores B. The rotor is set in rotation by a rotating electric field. The motor works according to the compressor principle, so that a flow F of the ambient solution 6 (liquid or gas) is generated and the motor can be used as a pump. The torque can be increased by the additional use of central electrodes.
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Die dielektrischen Elemente des Motors werden mit Fertigungs¬ methoden der Halbleitertechnik und der Mikromechanik herge¬ stellt.The dielectric elements of the motor are manufactured using manufacturing methods of semiconductor technology and micromechanics.
Als Substrat wird beispielsweise Silizium, evtl. versehen mit dünnen Isolationsschichten wie Si02 oder Si3 4, oder Glas verwendet.For example, silicon, possibly provided with thin insulation layers such as Si0 2 or Si 3 4 , or glass is used as the substrate.
Die Elektroden werden mit photolithographischen Methoden strukturiert und galvanisch, z. B. mit Gold, abgeformt. Damit kann die Elektrodengeometrie mit Mikrometergenauigkeit defi¬ niert werden. Unter Verwendung der Tiefenlithographie können Elektrodenhöhen von mehreren hundert Mikrometer erreicht wer¬ den.The electrodes are structured using photolithographic methods and galvanically, e.g. B. molded with gold. The electrode geometry can thus be defined with micrometer accuracy. Using depth lithography, electrode heights of several hundred micrometers can be achieved.
Der Rotor wird ebenfalls mit mikromechanischen Verfahren aus dielektrischen Materialien gefertigt. Schichten wie Si02, Si3N4 oder Ti02 können bis zu Dicken im Mikrometerbereich hergestellt und strukturiert werden. Dickere Rotoren können aus Photolack mit Tiefenlithographie gefertigt werden.The rotor is also made from dielectric materials using micromechanical processes. Layers such as Si0 2 , Si 3 N 4 or Ti0 2 can be produced and structured up to thicknesses in the micrometer range. Thicker rotors can be made from photoresist with depth lithography.
Mit isotropen oder anisotropen und selektiven Ätzverfahren werden im Substrat präzise Gruben und Kanäle geätzt, die zur Fixierung des Rotors oder zum Heran- und Wegleiten der Umge¬ bungslösung des Motors dienen. Mit den gleichen Verfahren kann auch eine mit dem Substrat verbundene Rotorachse herge¬ stellt werden.With isotropic or anisotropic and selective etching processes, precise pits and channels are etched in the substrate, which serve to fix the rotor or to move the ambient solution of the motor up and down. A rotor axis connected to the substrate can also be produced using the same methods.
Eine Kapselung des Systems kann mit einem zweiten Wafer, der auf den Substratwafer aufgebondet wird, erreicht werden.The system can be encapsulated with a second wafer that is bonded onto the substrate wafer.
Die Verwendung von Silizium als Substratmaterial bietet die besondere Möglichkeit, elektrische Schaltkreise zur Ansteue¬ rung und Regelung des Motors gemeinsam mit den mechanischen Elementen auf einen gemeinsamen Substrat (Wafer) zu integrie¬ ren. The use of silicon as a substrate material offers the special possibility of integrating electrical circuits for controlling and regulating the motor together with the mechanical elements on a common substrate (wafer).

Claims

Patentansprüche Claims
1. Dielektrischer Motor bestehend aus Elektroden und einem dielektrischen Rotor mit bekanntem Aufbau, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Rotors (4) eine oder mehrere Elektroden (2) , im folgenden als äußere Elektro¬ den bezeichnet, und innerhalb des Rotors (4) eine oder mehrere Elektroden (1) , im folgenden als innere Elektro¬ den bezeichnet, zur Rotationsachse (7) symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sind und sich der Rotor (4) relativ zu diesen Elektroden (1, 2) um eine Rotations¬ achse (7) bewegt und entweder über die inneren Elektro¬ den (1) oder die äußeren Elektroden (2) oder beide mit Hilfe eines alternierenden oder alternierenden schritt¬ weise veränderlichen oder kontinuerlich oder diskontinu¬ ierlich rotierenden elektrischen Feldes angetrieben wird.1. Dielectric motor consisting of electrodes and a dielectric rotor with a known structure, characterized in that outside the rotor (4) one or more electrodes (2), hereinafter referred to as the outer electrodes, and within the rotor (4) one or several electrodes (1), hereinafter referred to as inner electrodes, are arranged symmetrically or asymmetrically with respect to the axis of rotation (7) and the rotor (4) rotates relative to these electrodes (1, 2) about an axis of rotation (7) is moved and driven either via the inner electrodes (1) or the outer electrodes (2) or both with the aid of an alternating or alternating step-wise variable or continuously or discontinuously rotating electrical field.
2. Dielektrischer Motor nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere äußere Elektroden (2) und/oder eine oder mehrere innere Elektroden (1) auf ein zeitlich konstantes oder alternierendes Potential gelegt werden.2. Dielectric motor according to claim l, characterized in that one or more outer electrodes (2) and / or one or more inner electrodes (1) are placed on a temporally constant or alternating potential.
3. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das zwischen den inneren Elektroden (1) und dem Rotor (4) befindliche Umgebungsmedium (5) und das zwischen den äußeren Elektroden (2) und dem Rotor (4) befindliche Umgebungsmedium (6) unterschied¬ lich sind.3. Dielectric motor according to claim 1, characterized in that between the inner electrodes (1) and the rotor (4) located ambient medium (5) and between the outer electrodes (2) and the rotor (4) located ambient medium (6) are different.
Erεafzbüatt Erεafzbüatt
4. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Rotor (4) radial Öffnungen befinden, die mit einem leitenden Material oder/und der Umgebungslösung (6) oder (5) ausgefüllt sind.4. Dielectric motor according to claim 1, characterized in that there are radial openings in the rotor (4) which are filled with a conductive material and / or the ambient solution (6) or (5).
5. Dielektrischer Motor nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Elektroden (1) und/oder die äußeren Elektroden (2) unabhängig oder teilweise untereinander elektrisch verbunden angesteuert werden.5. Dielectric motor according to claim l, characterized in that the inner electrodes (1) and / or the outer electrodes (2) are controlled independently or partially electrically connected to each other.
6. Dielektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (2) oder die innere Elektrode (1) als geschlossener oder offener Ring aufgebaut ist.6. Dielectric motor according to claim 1, characterized in that the outer electrode (2) or the inner electrode (1) is constructed as a closed or open ring.
7. Dielektrischer Motor nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1) und/oder (2) senkrecht und/oder parallel zur Rotationsachse (7) kamm¬ artig in das Profil des Rotors hineinragen.7. Dielectric motor according to claim 1, characterized in that the electrodes (1) and / or (2) project perpendicularly and / or parallel to the axis of rotation (7) in a comb-like manner into the profile of the rotor.
8. Dielektrischer Motor nach einem der Ansrpüche l bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrika Si02, Si3N4, Ti02 oder Glas Verwendung finden und daß die Elektroden mit photolithographischen Methoden strukturiert und gal¬ vanisch abgeformt sind.8. Dielectric motor according to one of claims 1 to 7, characterized in that Si0 2 , Si 3 N 4 , Ti0 2 or glass are used as dielectrics and that the electrodes are structured using photolithographic methods and galvanically shaped.
9. Dielektrischer Motor nach einem der Ansprüche l bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Elemente mit einem elektrischen Schaltkreis zur Ansteuerung und Regelung des Motors auf einem gemeinsamen Substrat inte¬ griert sind.9. Dielectric motor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the mechanical elements are integrated with an electrical circuit for controlling and regulating the motor on a common substrate.
10. Dielektrischer Motor nach einem der Ansrpüche l bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Halblei¬ tereinkristall verwendet wird.10. Dielectric motor according to one of claims 1 to 9, characterized in that a semiconductor single crystal is used as the substrate.
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