WO1996011342A1

WO1996011342A1 - Mikromechanischer aktor

Info

Publication number: WO1996011342A1
Application number: PCT/EP1995/003707
Authority: WO
Inventors: Klaus Feit; Mathias Heckele; Patrick Ruther; Klaus Weindel
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh
Priority date: 1994-10-08
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 1996-04-18
Also published as: DE4436008C1; EP0784754A1; DE59502013D1; US6055899A; EP0784754B1

Abstract

Mikromechanischer Aktor mit einem in einem Kanal beweglichen Kolben, der von der einen Seite her aus einer Druckkammer durch ein druckführendes Medium beaufschlagt wird. Der Aktor weist ein flaches Gehäuse auf, welches fest auf einer Substratplatte sitzt und in dem ein Kanal verläuft, in welchem ein Kolben bewegbar ist. Der Kanal mündet mit seinem einen Ende in einer Druckkammer, die mit einem druckführenden Fluid beaufschlagt wird. An der einen Seite des Kolbens ist eine Führungstange, an seiner anderen Seite eine Kolbenstange befestigt, wobei vor und hinter dem Kolben jeweils ein Lagerblock zur Führung des Kolbens auf der Substratplatte befestigt ist.

Description

Mikromechanischer Aktor

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

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

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

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil der Pa¬ tentansprüche 1 und 2 angeführt sind. Besonders vorteilhaft ist erfindungsgemäß ein Aktor, der gemäß Patentanspruch 3 her gestellt ist.

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

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

die Fig.l einen Schnitt durch den Aktor von oben gesehen und

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

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

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

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

Ausgangspunkt ist eine bis zu mehreren loo μm dicke strah¬ lungsempfindliche KunststoffSchicht. Dieser sogenannte Resis wird durch direkte Polymerisation auf ein Substrat mit Opfer schicht und Galvanikstartschicht aufgebracht. Die 3 - 7 μm dicke Opferschicht aus Ti wurde vorstrukturiert, so daß bei der anschließenden, justierten Röntgenbestrahlung die später beweglichen Teile der Mikrostruktur, bei dem oben beschriebe nen Aktor der Kolben 4 mit den Stangen 11 und 12, auf der Op ferschicht zu liegen kommen. Unter den unbeweglichen Berei¬ chen, die mit dem Substrat verankert sind wie das Aktorgehäu 1 und die Lagerblöcke 11 und 12, liegt keine Opferschicht.

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

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

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

Aktorgehäuse

Substratplatte

Kanal

Kolben

Druckkammer

Bohrung

Lagerblock

Schlitz

Führungsstange

Kolbenstange

Nut

Claims

Patentansprüche:

1. Mikromechanischer Aktor zur Erzeugung von Kräften der

Größenordnung einiger mN bis in den Bereich von etwa 100 mN mit Abmessungen im Bereich einiger 100 μm, mit den folgenden Merkmalen: a) einem in einem Kanal beweglichen Kolben, der von der einen Seite her aus einer Druckkammer durch ein druck¬ führendes Medium beaufschlagt wird und der b) an der anderen Seite eine Kolbenstange zur Abnahme der erzeugten Kraft aufweist, wobei c) der Kolben mittels Führungselementen in Hubrichtung längsbeweglich geführt ist, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale: d) der Aktor weist ein flaches Gehäuse (1) auf, welches fest auf einer Substratplatte (2) sitzt und in dem ein Kanal (3) verläuft, in welchem ein axial längsbewegli¬ cher Kolben (4) hin- und herbewegbar ist, e) der Kanal (3) mündet mit seinem einen Ende in einer Druckkammer (5) , die über eine Bohrung (6) mit einem druckführenden Fluid beaufschlagt wird, f) an der einen Seite des Kolbens (4) ist eine Führungs¬ stange (11) und an seiner anderen Seite eine Kolben¬ stange (12) befestigt, g) vor und hinter dem Kolben (4) ist, von der Druckseite aus gesehen, jeweils ein Lagerblock (7 und 8) zusammen mit dem Gehäuse (1) ebenfalls auf der Platte (2) be¬ festigt, h) die Lagerblöcke (7 und 8) weisen Schlitze (9 und 10) zur Führung des Kolbens (4) auf, wobei in dem Schlitz (9) die Führungsstange (11) und in dem Schlitz (10) die Kol¬ benstange (12) gleitet, i) das Gehäuse (1) ist nach oben durch eine Deckplatte ver¬ schlossen.

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

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