WO2020064060A1 - Microactuator and production method and uses - Google Patents

Microactuator and production method and uses Download PDF

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WO2020064060A1
WO2020064060A1 PCT/DE2019/100854 DE2019100854W WO2020064060A1 WO 2020064060 A1 WO2020064060 A1 WO 2020064060A1 DE 2019100854 W DE2019100854 W DE 2019100854W WO 2020064060 A1 WO2020064060 A1 WO 2020064060A1
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microactuator
planar coil
actuator
magnetic field
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Anatol Schwersenz
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Trafag Ag
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    • H02K33/16Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with polarised armatures moving in alternate directions by reversal or energisation of a single coil system
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • H05K3/462Manufacturing multilayer circuits by laminating two or more circuit boards the electrical connections between the circuit boards being made during lamination characterized by laminating only or mainly similar double-sided circuit boards

Definitions

  • the invention relates to a micro actuator.
  • the invention further relates to
  • the invention further relates to different uses of such a micro actuator and
  • Microactuators are used to actuate small or very small switching and movement processes. For example, there are micropumps and
  • Micro valves each having a micro actuator.
  • Microactuators are also used in optics, for example to control scanner mirrors in laser scanners.
  • micromechanical scanner mirrors are provided.
  • a micro actuator is understood to be a micromechanical actuator whose smallest structures are in the micrometer range and can no longer pass through
  • micromechanical components as well as the overall dimension of the micro actuator itself, are often in the millimeter range.
  • microstructuring processes are used, which preferably originate from or are derived from microelectronics.
  • Microactuators currently available on the market work with the piezo effect or as electrostatic actuators.
  • a micropump with an electrostatic micro actuator is, for example, from the
  • the invention has set itself the task of creating a powerful, reliable microactuator that can be economically manufactured in large industrial series.
  • the invention creates a micro actuator
  • Claim 1 A manufacturing process for such a micro actuator
  • the invention provides a microactuator, comprising a first actuator element with a magnetic field generation unit and a second actuator element that can be moved relative to the magnetic field generation unit by the action of a magnetic field generated by the magnetic field generation unit, the magnetic field generation unit having at least one planar coil formed on a conductor layer of a circuit board element.
  • the circuit board element is a multilayer circuit board element and that the planar coil has a multilayer planar coil formed on the multilayer circuit board element.
  • Substrate layer or an intermediate layer of the multilayer circuit board element is provided for electrical insulation.
  • the second actuator element has a permanent magnet.
  • first and the second actuator element are arranged concentrically to a central axis through the planar coil and are axially movable relative to this central axis.
  • circuit board element as the outer housing of the circuit board
  • Micro actuator is formed. It is preferred that the conductor coils of the planar coil have a width of less than 900 pm, in particular less than 500 pm, more particularly less than 100 pm.
  • the invention relates to a method for producing a microactuator, comprising lithographically forming at least one plane of a planar coil on a circuit board layer to form a
  • Magnetic field generation unit on a first actuator element joining the first actuator element with one due to the
  • Magnetic field generating unit drivably movable second actuator element such that the actuator elements are movable relative to each other.
  • the method preferably comprises:
  • Insulating material to form a multilayer circuit board element with a multilayer planar coil
  • the electrical connection step includes the step:
  • the method preferably comprises:
  • the invention relates to using a
  • Microactuator according to one of the configurations explained above or one by a method according to one of the explanations above
  • the invention provides a micropump comprising a micro actuator according to one of the above configurations and / or a micro actuator which can be obtained by a method according to one of the above configurations.
  • the invention provides a microvalve comprising a microactuator according to one of the preceding configurations and / or a microactuator obtainable by a method according to one of the preceding configurations.
  • the invention provides a microlinear motor comprising a micro actuator according to one of the above configurations and / or by a method according to one of the above
  • the invention provides an optical switching element comprising a microactuator according to one of the preceding configurations and / or by a method according to one of the preceding
  • micro actuator For example, a micro objective with a lens is provided, which is adjustable by the micro actuator.
  • the invention provides an electrical one
  • Switching element comprising a micro actuator according to one of the preceding embodiments and / or by a method according to one of the
  • the invention relates to the use of a planar coil technology as an actuator.
  • the invention provides electrodynamic microactuators.
  • electrodynamic microactuators are based on the processes of semiconductor manufacturing technology.
  • the required “smallness” of the potential products has always led to the structuring processes from semiconductor manufacturing.
  • the cost regime is always linked to this technology.
  • electrodynamic microactuator there was no known electrodynamic microactuator as a series component.
  • the invention does not use semiconductor manufacturing technologies, but rather the printed circuit board technology as used in particular for the production of multilayer printed circuit board elements.
  • the invention is based on the knowledge that it is used today in the
  • an electrodynamic actuator is an energy converter that converts electrical energy into kinetic energy using electromagnetic fields. For the described converters, it draws the energy from the change in inductance due to the path in the linear case.
  • the change in inductance is somewhat more complex.
  • the inductance increases with the spanned area of the coil and, in a first approximation, is square to the turns contained therein. With more inductance, a larger change in inductance is also possible.
  • the aim will always be to optimize the inductance in relation to a large area with a maximum number of turns and to reduce the magnetic path to a minimum.
  • Such systems are not known as products in series production (“yet”).
  • At least one planar coil preferably a lithographically produced planar coil, is provided.
  • planar coils many turns are achieved using technically available means, such as, for example, using lithographic imaging methods.
  • the magnetic field is formed by the current impressed in conductor loops.
  • Example can be formed by wound wire.
  • the conductor loops are formed planar in printed circuit boards on several layers, which are electrically connected to each other in the coil area with PrePreg (dielectric
  • Insulation layer Preimpregneted glass fiber
  • Insulation layer can be arranged insulated.
  • Electrodynamic actuators essentially consist of a first actuator element with a driving magnetic field and a second actuator element with a driven magnetic field, to which a force is exerted. As a result of this application of force, the two parts - actuator elements can move relative to one another.
  • PCB manufacturing processes further developed.
  • the technological "Process Freeze" for the PCB production was in the period from 1995 to the year 2000. At that time, for almost all PCB manufacturers
  • the current resolution limit for electrical connections is currently limited to 10pm Line / Space for structuring and
  • the arrangement geometries of the magnetic fields can be manufactured in series with very small tolerances. This is very advantageous, since in many applications only the Lorentz force can be used as the driving force, which is very sensitive to the position in relation to the static magnetic field.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of a multi-layer
  • Fig. 2-7 sectional views through a circuit board element during
  • FIG. 8 shows a schematic perspective illustration of a printed circuit board on which a multiplicity of planar coil layers can be produced side by side;
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of the magnetic field distribution in a first actuator element and a second actuator element in a microactuator
  • FIG. 10 shows a section through an exemplary embodiment of a microactuator in a micropump
  • FIG. 11 shows the micropump of FIG. 10 during a filling process
  • FIG. 12 shows the micropump of FIG. 10 during an empty process
  • Fig. 13 is a partly photographic representation, which is used to build the
  • the micropump of FIGS. 11 to 12 shows a suitable first actuator element in size comparison with a 1 cent piece
  • FIG. 16 shows a section through a further embodiment of a microactuator using planar coils in printed circuit board technology for the construction of a microlinear motor
  • FIG. 19-22 different representations of a single component to build a
  • FIG. 23 shows a representation of different configurations of the individual component from FIGS. 19 to 22 in a size comparison.
  • FIGS. 9 to 12 and 16 to 18 Exemplary embodiments for the microactuator 10 are shown in FIGS. 9 to 12 and 16 to 18.
  • the micro actuator 10 has a first actuator element 12 and a second one
  • Actuator element 14 which are movable relative to each other.
  • the first actuator element 12 has a first magnetic field generation unit 16, by means of which a magnetic field 50 can be generated from an electrical current 53.
  • An embodiment of the magnetic field generating unit 16 is shown in FIG. 1.
  • FIGS. 2 to 7 show different stages in the course of the free position of such a magnetic field generating unit 16 and also in the course of the free position of the first actuator element 12.
  • the second actuator element 14 is designed to be moved by the action of the magnetic field generated by the magnetic field generating unit 16.
  • Magnetic field generating unit 16 has a planar coil 20 formed from a plurality of planar coil layers 18a-18d. Each planar coil layer 18a-18d is through
  • Spirally arranged conductor loops 22 are formed, the ends of the planar coil layers 18a-18d being connected to one another via vias 24 to form the planar coil 20.
  • planar coil 20 is fixed in printed circuit board technology, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 7.
  • FIG. 2 shows a circuit board layer 26 for the construction of a multilayer circuit board element 28.
  • the circuit board layer 26 has a circuit board substrate 30 made of an electrically insulating material, in particular plastic and / or fiber-reinforced
  • the circuit board substrate 30 can be rigid or flexible.
  • the printed circuit board substrate 30 has a thickness between 0.2 mm and 1.5 mm.
  • a conductor layer 32 made of an electrically conductive material, in particular metal, more particularly copper.
  • planar coil layers 18a-18d is formed on each conductor layer 32.
  • a photoresistive layer 34 is applied and an exposure mask 36 is further applied.
  • exposure masks 36 which specify the structure of the planar coil layers 18a-18d and any connections
  • other selective exposure methods for example laser exposures or beam exposures by means of beam scanning, can also be used.
  • the respectively exposed areas of the photoresistive layer 34 change their chemical properties so that the unexposed areas can be removed by etching or the like, as shown in FIG. 4.
  • planar coil layers 18a-18d are fabricated on a circuit board element 26, 28 by lithographic processes.
  • the lithographic process explained in accordance with FIGS. 2 to 5 can only be seen here as an example.
  • the electrical insulation layer 38 cannot yet
  • cured plastic be formed.
  • a prepreg material is provided.
  • the resulting sandwich structure made up of several Printed circuit board layers 26 and insulation layers 38 interposed therebetween are then cured, as shown in FIG. 6, using pressure and heat or the like.
  • a multilayer printed circuit board element blank 40 is thus created, which is shown in more detail in FIG. 7.
  • the multilayer printed circuit board element blank 40 contains only one planar coil 20 with the different planar coil layers 18a-18d as shown. However, it is particularly preferred that not only one planar coil 20 is produced in one step, but that a plurality of planar coils 20 are produced side by side.
  • Fig. 8 shows a circuit board layer 26 on each of the
  • planar coils 20 are produced side by side in a multilayer printed circuit board element blank 40, according to FIG. 7, after pressing and curing, the vias 24 are produced by means of laser drilling, a first laser beam 44 being shown to indicate laser drilling. After this
  • the multilayer printed circuit board element blank 40 is then cut to produce a multilayer printed circuit board element 28 provided with the planar coil 20.
  • the multilayer circuit board element 28 By appropriately shaping the multilayer circuit board element 28, it can be used directly as the first actuator element 12 without further ado.
  • Multilayer circuit board element 28 as a housing 64, in which the planar coil 20 with its different planar coil layers 18a-18d is embedded.
  • FIG. 9 shows the function of the microactuator 10 with the first actuator element 12 and the second actuator element 14.
  • a magnetic field is generated by passing a current 53 through a control (not shown here) through the planar coil 20.
  • FIG. 9 shows in particular the position sensitivity between the magnetic field and the coil.
  • FIG. 9 shows a radial coil, formed for example by one or more of the conductor loops 22, which is supplied with current 53.
  • the triangles in the figure represent the formation of the magnetic field 50 under the influence of the permanent magnet ring of the magnet 52.
  • the second actuator element 14 is designed to be influenced by the
  • Magnetic field 50 to be driven For example, the second one
  • Actuator element 14 has a magnet 52, in particular a permanent magnet. Depending on the polarity and strength of the magnetic field, the second actuator element 14 is attracted or repelled relative to the first actuator element 12.
  • conductor loops 22 can be made high
  • Manufacture micropump 54 an exemplary embodiment of which is shown in FIGS. 10 to 12.
  • the first actuator element 12 and the second actuator element 14 are preferably elastically connected to one another.
  • an elastic element 56 such as a spring or a membrane 58, can be provided for the connection between the actuator elements 12, 14.
  • the elastic element 56 can also be formed, for example, by an elastic body or the like.
  • the elastic element 56 can define a rest position, in particular in the relaxed state, it being possible for deflection to occur while actuating the magnetic field from the magnetic field generating unit 16.
  • the membrane 58 is provided as the elastic element 56, which also has a pump volume 60 in the
  • Micropump 54 completes.
  • micro-actuators 10 on an electromagnetic basis is that shown in FIGS. 10 to 12 shown micro diaphragm pump 55.
  • the micropump 54 has the first membrane 58 formed as an elastic element 56 and that formed by the first actuator element 12
  • the micropump 54 has a first diaphragm valve 66 and a second diaphragm valve 68, which are provided in a cover 62 of the housing 64.
  • first diaphragm valve 66 and a second diaphragm valve 68 are provided in a cover 62 of the housing 64.
  • cover 62 were selectively provided with laser bores 70 which can be closed with foil elements 72.
  • Film elements 72 can be selectively cut free with a laser. They are attached accordingly so that the first diaphragm valve 66 in a
  • the micropump 54 has the second actuator element 14, which is provided with the magnet 52, for example in the form of a magnetic ring. B. is concentric to the first actuator element 12.
  • the actuator elements 12, 14 are nested concentrically one inside the other.
  • the second actuator element 14 is preferably equipped with a static magnetic field.
  • planar coil 20 which previously correspondingly with reference to Figs. 1 to 8 has been produced, can also be seen in cross section in FIG. 10.
  • the planar coil 20 is shaped radially and serves as a drive coil.
  • Vias 74a, 74b are also shown to show the individual
  • planar coil layers 18a-18d of the winding planes of planar coil 20 To electrically connect planar coil layers 18a-18d of the winding planes of planar coil 20 to one another.
  • the electrical planar coil layers 18a-18d and the design of the housing 74 and insulation layer layers 38 result in an overall body acting as a housing 64.
  • the housing 64 is provided, for example on the outside, with a ferromagnetic layer 76 which acts as a magnetic yoke and thus reduces the magnetic path length.
  • the membrane 58 forms a suspension membrane, which the suspension of the second actuator element 14 formed by the magnet 52 and the
  • Fig. 13 shows a size comparison of the one acting as the drive system
  • Actuator element 12 with a 1 cent piece.
  • the first actuator element 12 has a diameter of only 5 mm.
  • Micropump 54 is used. As can be seen, there are different contact pads 78 for on the outside of the multilayer circuit board element 28
  • planar coil 20 has a total of 8 planar coil layers. This is just one general example
  • Printed circuit board layers 26 with n greater than or equal to 1 or 2 may be provided, in particular n is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10.
  • Embodiments of the invention are therefore very compact and have better performance than previous piezo-operated micropumps.
  • microactuator 10 can also be used, for example, to switch electrical processes or to position optical elements, such as lenses or mirror elements. This is not shown in the drawings; it will be possible for further details on further
  • a lens could be arranged on the first and second actuator elements 12, 14 instead of a membrane as explained for the micro pump 54, focusing or other adjustment being carried out by relative displacement of the lenses.
  • an elastic lens is provided, the shape of which by relative movement of the
  • Actuator elements is changeable.
  • Actuator elements 12, 14 provided with a contact plate, which at
  • a bolt is articulated on one of the actuator elements with which a locking and unlocking process can be carried out (electronic lock).
  • a bolt could be formed by a push rod 82 of the further embodiment of the microactuator 10 explained below with reference to FIGS. 16 to 18.
  • a linear synchronous micromotor - linear motor 88 - is shown as a further example of the advantageous use of the microactuator 10.
  • extremely small linear drives can be realized. These can replace very small cylinders.
  • the function of very small cylinders can also be expanded by the positionability of a synchronous drive.
  • Such a drive can also achieve extreme accelerations.
  • Such a synchronous machine can be implemented with stacked rings made of magnets 52, which are assembled with one another via a pull rod 82. In the position of the magnetic fields shown in the figures, such a system of magnets 52 must be pulled into this position against their repulsive force and fixed accordingly, so that the superposed poles form.
  • the second actuator element 14 has a magnet system 84 formed from a plurality of magnets 52 with a rod 82.
  • the first actuator element 12 has one or more of the planar coils 20.
  • the one or more planar coils 20 are circular to the magnet system 84.
  • the coils 20 are manufactured lithographically using printed circuit board technology. This means that they are inherently stable in production.
  • first actuator element 12 - here acts as a stator 86 - and the second actuator element 14 - which acts as an output element - rotor 90.
  • the coupling of the magnetic field induced via the coils 20 to the static magnetic field of the rotor 90 is thus significantly improved.
  • the travel path and the thrust can be adjusted by duplicating the drive coils or the magnet system.
  • An air bearing can also be incorporated via the circuit board elements 28 via an air duct system (not shown here). This also integrates the linear guide function.
  • Planar coil layers 18a, 18b, 18c are rectangular.
  • FIGS. 21 and 22 show sections through the multilayer printed circuit board element 28 produced from the multilayer printed circuit board blank 40 of FIGS. 19 and 20 with a rectangular inner opening 92.
  • the opening 92 is produced as described above with reference to FIG. 7.
  • a single one of these multilayer printed circuit board elements 28 or a stacked arrangement of several of these multilayer printed circuit board elements 28 is configured as the first actuator element 12 of the microactuator 10 in a configuration as a micropump, optical element, switch or

Abstract

To provide a robust microactuator that can be mass produced economically, the invention creates a microactuator (10), comprising a first actuator element (12) having a magnetic field generating unit (16) and a second actuator element (14) which can be moved relative to the magnetic field generating unit (16) due to the action of a magnetic field generated by the magnetic field generating unit (16), wherein the magnetic field generating unit (16) has at least one planar coil (20) formed on a conductor layer (32) of a circuit board element (26, 28).

Description

MIKROAKTUATOR SOWIE HERSTELLVERFAHREN UND VERWENDUNGEN  MICROACTUATOR AND MANUFACTURING METHOD AND USE
Die Erfindung betrifft einen Mikroaktuator. Weiter betrifft die Erfindung ein The invention relates to a micro actuator. The invention further relates to
Verfahren zum Herstellen eines Mikroaktuators. Weiter betrifft die Erfindung unterschiedliche Verwendungen eines solchen Mikroaktuators sowie Method of manufacturing a micro actuator. The invention further relates to different uses of such a micro actuator and
Vorrichtungen, die einen solchen Mikroaktuator aufweisen. Devices having such a micro actuator.
Mikroaktuatoren werden zum Betätigen von kleinen oder kleinsten Schalt- und Bewegungsvorgängen benutzt. Zum Beispiel gibt es Mikropumpen und Microactuators are used to actuate small or very small switching and movement processes. For example, there are micropumps and
Mikroventile, die jeweils einen Mikroaktuator aufweisen. Auch in der Optik werden Mikroaktuatoren verwendet, zum Beispiel zum Ansteuern von Scannerspiegeln in Laserscannern. Hierzu sind mikromechanische Scannerspiegel vorgesehen. Micro valves, each having a micro actuator. Microactuators are also used in optics, for example to control scanner mirrors in laser scanners. For this purpose, micromechanical scanner mirrors are provided.
Unter einem Mikroaktuator versteht man einen mikromechanischen Aktor, dessen kleinste Strukturen im Mikrometerbereich liegen und nicht mehr durch A micro actuator is understood to be a micromechanical actuator whose smallest structures are in the micrometer range and can no longer pass through
feinmechanische Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Die precision mechanical manufacturing processes can be produced. The
Abmessungen mikromechanischer Bauteile, wie auch die Gesamtabmessung des Mikroaktuators selbst liegen jedoch häufig im Bereich von Millimetern. Statt feinmechanischer Verfahren werden Mikrostrukturierungsverfahren verwendet, die vorzugsweise aus der Mikroelektronik stammen oder von solchen abgeleitet sind. However, the dimensions of micromechanical components, as well as the overall dimension of the micro actuator itself, are often in the millimeter range. Instead of precision mechanical processes, microstructuring processes are used, which preferably originate from or are derived from microelectronics.
Derzeit auf dem Markt erhältliche Mikroaktuatoren arbeiten mit dem Piezoeffekt oder als elektrostatische Aktoren. Eine Mikropumpe mit einem elektrostatischen Mikroaktuator ist zum Beispiel aus der Microactuators currently available on the market work with the piezo effect or as electrostatic actuators. A micropump with an electrostatic micro actuator is, for example, from the
[1 ] EP 0 703 364 A1  [1] EP 0 703 364 A1
bekannt. Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen kraftvollen, zuverlässigen Mikroaktuator zu schaffen, der wirtschaftlich in industrieller Großserie herstellbar ist. known. The invention has set itself the task of creating a powerful, reliable microactuator that can be economically manufactured in large industrial series.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung einen Mikroaktuator nach To achieve this object, the invention creates a micro actuator
Anspruch 1. Ein Herstellverfahren für einen solchen Mikroaktuator sowie Claim 1. A manufacturing process for such a micro actuator and
vorteilhafte Verwendungen desselben sind Gegenstand der Nebenansprüche. advantageous uses of the same are the subject of the subsidiary claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt davon einen Mikroaktuator, umfassend ein erstes Aktuatorelement mit einer Magnetfelderzeugungseinheit und ein relativ zu der Magnetfelderzeugungseinheit durch Einwirkung eines durch die Magnetfelderzeugungseinheit erzeugten Magnetfeldes bewegbares zweites Aktuatorelement, wobei die Magnetfelderzeugungseinheit wenigstens eine an einer Leiterschicht eines Leiterplattenelements ausgebildete Planarspule aufweist. According to a first aspect thereof, the invention provides a microactuator, comprising a first actuator element with a magnetic field generation unit and a second actuator element that can be moved relative to the magnetic field generation unit by the action of a magnetic field generated by the magnetic field generation unit, the magnetic field generation unit having at least one planar coil formed on a conductor layer of a circuit board element.
Es ist bevorzugt, dass das Leiterplattenelement ein Multilayer-Leiterplattenelement ist und dass die Planarspule eine an dem Multilayer-Leiterplattenelement ausgebildete mehrlagige Planarspule aufweist. It is preferred that the circuit board element is a multilayer circuit board element and that the planar coil has a multilayer planar coil formed on the multilayer circuit board element.
Es ist bevorzugt, dass zwischen benachbarten Lagen der Planarspule eine It is preferred that between adjacent layers of the planar coil
Substratschicht oder eine Zwischenlage des Multilayer-Leiterplattenelements zur elektrischen Isolierung vorgesehen ist. Substrate layer or an intermediate layer of the multilayer circuit board element is provided for electrical insulation.
Es ist bevorzugt, dass das zweite Aktuatorelement einen Permanentmagneten aufweist. It is preferred that the second actuator element has a permanent magnet.
Es ist bevorzugt, dass das erste und das zweite Aktuatorelement konzentrisch zu einer Mittelachse durch die Planarspule angeordnet sind und relativ zu dieser Mittelachse axial zueinander beweglich sind. It is preferred that the first and the second actuator element are arranged concentrically to a central axis through the planar coil and are axially movable relative to this central axis.
Es ist bevorzugt, dass das Leiterplattenelement als Außengehäuse des It is preferred that the circuit board element as the outer housing of the
Mikroaktuators ausgebildet ist. Es ist bevorzugt, dass Leiterspulen der Planarspule eine Breite von weniger als 900 pm, insbesondere weniger als 500pm, mehr insbesondere weniger als 100 pm aufweisen. Micro actuator is formed. It is preferred that the conductor coils of the planar coil have a width of less than 900 pm, in particular less than 500 pm, more particularly less than 100 pm.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Mikroaktuators, umfassend lithografisches Ausbilden wenigstens einer Ebene einer Planarspule an einer Leiterplattenschicht zum Bilden einer According to a further aspect, the invention relates to a method for producing a microactuator, comprising lithographically forming at least one plane of a planar coil on a circuit board layer to form a
Magnetfelderzeugungseinheit an einem ersten Aktuatorelement, Zusammenfügen des ersten Aktuatorelements mit einem aufgrund eines durch die Magnetic field generation unit on a first actuator element, joining the first actuator element with one due to the
Magnetfelderzeugungseinheit antreibbar bewegbaren zweiten Aktuatorelement derart, dass die Aktuatorelemente relativ zueinander bewegbar sind. Magnetic field generating unit drivably movable second actuator element such that the actuator elements are movable relative to each other.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren: The method preferably comprises:
Ausbilden mehrere Ebenen von Planarspulen an mehreren Leiterplattenschichten, Zusammenfügen der Leiterplattenschichten unter Zwischenlage von  Form several levels of planar coils on several circuit board layers, joining the circuit board layers with the interposition of
Isoliermaterial, um eine Multilayer-Leiterplattenelement mit einer mehrlagigen Planarspule auszubilden, und Insulating material to form a multilayer circuit board element with a multilayer planar coil, and
elektrisches Verbinden mehrere Lagen der Planarspule über Vias. electrical connection of several layers of the planar coil via vias.
Es ist bevorzugt, dass der Schritt elektrisches Verbinden den Schritt: It is preferred that the electrical connection step includes the step:
Erzeugen von Durchgangsöffnungen mittels Laserstrahlen oder  Generation of through openings by means of laser beams or
Elektronenstrahlen umfasst. Includes electron beams.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren: The method preferably comprises:
Schneiden des Leiterplattenelements mittels Laserstrahlen oder  Cutting the circuit board element using laser beams or
Elektronenstrahlen. Electron beams.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung Verwenden eines In another aspect, the invention relates to using a
Mikroaktuators nach einer der voranstehend erläuterten Ausgestaltungen oder eines durch ein Verfahren nach einer der voranstehend erläuterten Microactuator according to one of the configurations explained above or one by a method according to one of the explanations above
Ausgestaltungen erhältlichen Mikroaktuators in einer Mikropumpe, in einem Mikroventil, als Mikrolinearmotor, in einer optischen Schalteinheit oder zum Embodiments of available microactuators in a micropump, in a microvalve, as a microlinear motor, in an optical switching unit or for
Bewegen eines optischen Elements, eines Spiegels und/oder einer Linse. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Mikropumpe umfassend einen Mikroaktuator nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder einen durch ein Verfahren nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen erhältlichen Mikroaktuator. Moving an optical element, a mirror and / or a lens. According to a further aspect, the invention provides a micropump comprising a micro actuator according to one of the above configurations and / or a micro actuator which can be obtained by a method according to one of the above configurations.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Mikroventil umfassend einen Mikroaktuator nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder einen durch ein Verfahren nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen erhältlichen Mikroaktuator. According to a further aspect, the invention provides a microvalve comprising a microactuator according to one of the preceding configurations and / or a microactuator obtainable by a method according to one of the preceding configurations.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Mikrolinearmotor umfassend einen Mikroaktuator nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder einen durch ein Verfahren nach einer der voranstehenden According to a further aspect, the invention provides a microlinear motor comprising a micro actuator according to one of the above configurations and / or by a method according to one of the above
Ausgestaltungen erhältlichen Mikroaktuator. Refinements available micro actuator.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein optisches Schaltelement umfassend einen Mikroaktuator nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder einen durch ein Verfahren nach einer der voranstehenden According to a further aspect, the invention provides an optical switching element comprising a microactuator according to one of the preceding configurations and / or by a method according to one of the preceding
Ausgestaltungen erhältlichen Mikroaktuator. Zum Beispiel ist ein Mikroobjektiv mit einer Linse vorgesehen, welche durch den Mikroaktuator einstellbar ist. Refinements available micro actuator. For example, a micro objective with a lens is provided, which is adjustable by the micro actuator.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein elektrisches In another aspect, the invention provides an electrical one
Schaltelement umfassend einen Mikroaktuator nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder einen durch ein Verfahren nach einer der Switching element comprising a micro actuator according to one of the preceding embodiments and / or by a method according to one of the
voranstehenden Ausgestaltungen erhältlichen Mikroaktuator. previous embodiments available micro actuator.
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Planarspulentechnologie als Aktor. The invention relates to the use of a planar coil technology as an actuator.
Insbesondere schafft die Erfindung elektrodynamische Mikroaktuatoren. In particular, the invention provides electrodynamic microactuators.
Mikroaktuatoren, deren Definition und bevorzugte Einsatzgebiete sind Microactuators, their definition and preferred areas of application
insbesondere in den folgenden Literaturstellen näher beschrieben und erläutert: [2] Thomas Frank,„Untersuchungen zum Einsatz elektromagnetischer Mikroaktoren“, Dissertation an der Fakultät für Maschinenbauder Technischen Universität lllmenau, 2003 especially described and explained in more detail in the following references: [2] Thomas Frank, "Studies on the use of electromagnetic microactuators", dissertation at the Faculty of Mechanical Engineering at the Technical University lllmenau, 2003
[3] Flarald Schenk,„Ein neuartiger Mikroaktor zur ein- und  [3] Flarald Schenk, "A new type of micro actuator for one and
zweidimensionalen Ablenkung von Licht“, Dissertation an der Gerhard-Mercator-Universität-Gesamthochschule-Duisburg, 2000  two-dimensional deflection of light ”, dissertation at the Gerhard Mercator University Comprehensive University Duisburg, 2000
Elektrodynamische Mikroaktuatoren basieren demnach nach dem heutigen Stand der Technik auf den Prozessen der halbleiterherstellenden Fertigungstechnologie. Die benötigte„Kleinheit“ der potenziellen Produkte hat bisher immer zu den strukturgebenden Prozessen aus der Halbleiterfertigung geführt. Damit ist aber auch immer das Kostenregime an diese Technologie geknüpft. Im Umkehrschluss kam es daher noch zu keinem bekannten elektrodynamischen Mikroaktuator als Serienbauteil. According to the current state of the art, electrodynamic microactuators are based on the processes of semiconductor manufacturing technology. The required “smallness” of the potential products has always led to the structuring processes from semiconductor manufacturing. However, the cost regime is always linked to this technology. Conversely, there was no known electrodynamic microactuator as a series component.
Die Erfindung setzt dagegen nicht Halbleiterfertigungstechnologien, sondern die Leiterplattentechnologie, wie sie insbesondere zur Herstellung von Multilayer- Leiterplattenelementen eingesetzt wird, ein. The invention, on the other hand, does not use semiconductor manufacturing technologies, but rather the printed circuit board technology as used in particular for the production of multilayer printed circuit board elements.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es die heute in der The invention is based on the knowledge that it is used today in the
Leiterplattenfertigung vorhandenen Fertigungsprozesse ermöglichen, PCB manufacturing enable existing manufacturing processes,
elektrodynamische Mikroaktuatoren auf Leiterplattenbasis herzustellen. to manufacture electrodynamic microactuators based on printed circuit boards.
Bisher sind diese Technologien nur auf Aufbau und die Verbindungstechnik fokussiert. Bisher gibt es für die Serie keine Prozessintegration, um solche So far, these technologies have only focused on construction and connection technology. So far, there is no process integration for the series
Bauteile zum Aufbau von Mikroaktuatoren herzustellen. Manufacture components for building microactuators.
Während sich aus der Halbleiterherstellung die MEMS abgespalten haben, ist das bei der Herstellung mit den Leiterplattenprozessen noch nicht passiert. Die While the MEMS have split off from semiconductor production, this has not yet happened during production with the circuit board processes. The
Erfindung sieht dagegen die Herstellung von elektrodynamischen Mikroaktuatoren, bei denen durch elektrische Ströme erzeugte Magnetfelder zum Antrieb benutzt werden, unter Nutzen von Leiterplattenprozessen vor. Ein elektrodynamischer Aktuator ist ein Energiewandler, der elektrische Energie mittels elektromagnetischer Felder in Bewegungsenergie wandelt. Für die beschriebenen Wandler bezieht er im linearen Fall die Energie aus der Änderung der Induktivität aufgrund des Weges.
Figure imgf000008_0001
In contrast, the invention provides for the production of electrodynamic microactuators, in which magnetic fields generated by electrical currents are used for driving, using circuit board processes. An electrodynamic actuator is an energy converter that converts electrical energy into kinetic energy using electromagnetic fields. For the described converters, it draws the energy from the change in inductance due to the path in the linear case.
Figure imgf000008_0001
Hiermit wird bewusst, dass die Antriebskraft zum einen quadratisch mit dem Strom anwächst, zum anderen aber auch mit dem„Verkleineren“ des Magnetkreises anwächst. Hier unterstützen zudem magnetisch leitende Materialien in den Rückflusskanal der Feldlinien, sogenannte Rückschlüsse. This makes it clear that on the one hand the driving force increases quadratically with the current, but on the other hand also increases with the "downsizing" of the magnetic circuit. Magnetic conductive materials in the backflow channel of the field lines also support this, so-called inferences.
Die Änderung der Induktivität ist da etwas komplexer. Die Induktivität steigt zum einen mit der überspannten Fläche der Spule und in erster Näherung quadratisch zu den darin enthaltenen Windungen. Mit mehr Induktivität wird auch eine größere Änderung der Induktivität möglich. The change in inductance is somewhat more complex. On the one hand, the inductance increases with the spanned area of the coil and, in a first approximation, is square to the turns contained therein. With more inductance, a larger change in inductance is also possible.
Ziel wird es somit immer sein, die Induktivität in Bezug auf große Fläche bei maximaler Windungszahl zu optimieren und dabei den magnetischen Weg auf ein Minimum zu reduzieren. Solche Systeme sind als Produkte im Serienumfeld („noch“) nicht bekannt. The aim will always be to optimize the inductance in relation to a large area with a maximum number of turns and to reduce the magnetic path to a minimum. Such systems are not known as products in series production (“yet”).
Um in Serie und damit in Stückzahl auf den Markt zu bestehen, muss ein wirtschaftlich günstiger, massentauglicher Fertigungsprozess installiert werden. In order to survive on the market in series and therefore in numbers, an economically favorable, mass production process must be installed.
Hier wurde bisher vorrangig auf Flalbleiter-Fertigungsprozesse gesetzt. Mit diesen sind Leiterschleifen in einer Ebene herzustellen, der sequentielle Sprung auf eine weitere Ebene fällt bei dabei schon bedeutend schwerer. Damit sind Spulen mit günstigen Geometrien nur schwer umzusetzen. So far, the main focus has been on flat wire manufacturing processes. With these, conductor loops can be produced on one level, the sequential jump to another level is much more difficult. This makes coils with favorable geometries difficult to implement.
Um Spulen auszuführen gibt es bisher zwei Methoden: So far, there are two methods for executing coils:
• Die planare Spule wickelt sich von außen nach innen auf einer Ebene. Im Spulenzentrum wechselt die Spule die Ebene und wickelt sich dann von innen nach außen (Ausbreitung in r, cp; Sprung in z). • Demgegenüber werden meist drahtbasierende Spulen entlang des • The planar coil winds from the outside in on one level. In the coil center, the coil changes level and then winds from the inside to the outside (spread in r, cp; jump in z). • In contrast, wire-based coils are usually along the
Zentrums gewickelt und springen nach erreichter Gesamtlänge im Radius eine Drahtbreite nach außen (Ausbreitung in Z; Sprung in r).  Center wound and jump a wire width outwards in radius after reaching total length (spread in Z; jump in r).
Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Planarspule, vorzugsweise eine lithografisch hergestellte Planarspule, vorgesehen. According to the invention, at least one planar coil, preferably a lithographically produced planar coil, is provided.
Mit planaren Spulen werden mit technisch vorhandenen Mitteln, wie zum Beispiel durch lithografische Abbildungsmethoden, viele Windungen erreicht. With planar coils, many turns are achieved using technically available means, such as, for example, using lithographic imaging methods.
Bei den bisherigen drahtbasierten Spulen fällt, wenn die Spulen in ihrer flächigen Ausbreitung sehr klein werden, die geometrische Zuordnung und Positionierung der drahtbasierenden Spulen mit dem Magnetkreis immer schwerer. In the previous wire-based coils, if the coils become very small in their flat spread, the geometric assignment and positioning of the wire-based coils with the magnetic circuit is becoming increasingly difficult.
Ein weiteres Handikap für die drahtbasierende Spule stellt dann auch die geeignete Kontaktierung dar. Manuelle Prozesse sind in Serie zunehmend schwerer skalierbar und weisen in Bezug auf die Prozesssicherheit Defizite auf. Another handicap for the wire-based coil is the appropriate contacting. Manual processes are increasingly difficult to scale in series and have deficits in terms of process reliability.
Demgegenüber ist bei lithografisch hergestellten planaren Spulen auch gleich die Kontaktierung zur Ansteuerungselektronik per se mit dabei. In contrast, in the case of lithographically produced planar coils, the contact to the control electronics per se is also included.
Bei der mit der Spule versehenen Magnetfelderzeugungseinrichtung wird das Magnetfeld wird durch den in Leiterschleifen eingeprägten Strom ausgebildet. In the magnetic field generating device provided with the coil, the magnetic field is formed by the current impressed in conductor loops.
Bei bisher aus [1 ] bekannten Konzepten können diese Leiterschleifen zum With previously known concepts from [1], these conductor loops can be used for
Beispiel durch gewickelten Draht gebildet werden. Example can be formed by wound wire.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dagegen vorgesehen, dass die Leiterschleifen planar in Leiterplatten auf mehreren Lagen ausgebildet werden, welche im Spulenbereich elektrisch zueinander mit PrePreg ( Dielektrische In a preferred embodiment of the invention, on the other hand, it is provided that the conductor loops are formed planar in printed circuit boards on several layers, which are electrically connected to each other in the coil area with PrePreg (dielectric
Isolationsschicht, Preimpregneted Glas Fiber) isoliert angeordnet werden. Insulation layer, Preimpregneted glass fiber) can be arranged insulated.
Ein Vorteil des Aufbaus in Leiterplattentechnik liegt in der lithografischen Definition der Spulen und die damit verbundene Wiederholbarkeit in der Gesamtperformance. Elektrodynamische Aktuatoren bestehen im Wesentlichen aus einem ersten Aktuatorelement mit einem antreibenden Magnetfeld und zweiten Aktuatorelement mit einem angetriebenen Magnetfeld, auf welches eine Kraft ausgeübt wird. In Folge dieser Kraftausübung können sich die beiden Teile - Aktuatorelemente relativ zueinander bewegen. An advantage of the construction in printed circuit board technology lies in the lithographic definition of the coils and the associated repeatability in the Overall performance. Electrodynamic actuators essentially consist of a first actuator element with a driving magnetic field and a second actuator element with a driven magnetic field, to which a force is exerted. As a result of this application of force, the two parts - actuator elements can move relative to one another.
Durch den technologischen Fortschritt haben sich auch die Due to technological progress, too
Leiterplattenfertigungsprozesse weiterentwickelt. Der technologische„Process Freeze“ für die Leiterplattenherstellung war im Zeitraum von 1995 bis zum Jahre 2000. In diesem Zeitpunkt wurde für fast alle Leiterplattenhersteller die PCB manufacturing processes further developed. The technological "Process Freeze" for the PCB production was in the period from 1995 to the year 2000. At that time, for almost all PCB manufacturers
„Spielregeln“ in Form von Designrules festgelegt. “Rules of the game” in the form of design rules.
Ab diesen Zeitraum wurden die Einzelprozesse weiterentwickelt, es hat aber seitdem keine Zusammenführung der Einzelprozesse gegeben. Somit ist es auch nicht zu einer fortgeschrittenen Form von Leiterplattenherstellung gekommen. So werden die Fertigungstechnologien punktuell für Leiterplatten eingesetzt, eine wirkliche Umsetzung der zusammengeführten neuen Technologien findet derzeit nur der Anwendung in der Umverdrahtung von Chips als sog. Substraten oder Imposer statt. From this period, the individual processes were further developed, but there has been no merger of the individual processes since then. As a result, there has not been an advanced form of circuit board production. The manufacturing technologies are used selectively for printed circuit boards, a real implementation of the merged new technologies is currently only used in the rewiring of chips as so-called substrates or imposers.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung schlagen nun eine Herstellung elektrodynamischer Aktuatoren mithilfe der zusammengeführten Technologien vor. Advantageous refinements of the invention now propose the production of electrodynamic actuators using the combined technologies.
Damit sind jetzt Strukturgrößen und Auflösungen erreichbar, die mit frühen mikrolithografischen Verfahren für die Halbleiterherstellung vergleichbar sind. This means that structure sizes and resolutions can now be achieved that are comparable to early microlithographic processes for semiconductor production.
Für elektrische Verbindungen liegt die serienfähige Auflösungsgrenze momentan technologisch begrenzt bei 10pm Line/Space für die Strukturierung und The current resolution limit for electrical connections is currently limited to 10pm Line / Space for structuring and
Gestaltung von Leiterzügen. Solche„Leiterplatten“ finden zum Beispiel derzeit als elektrische Anbindung von Displays in Serie ihre Anwendung. Diese Technologien werden nun bevorzugt zur Herstellung von Mikroaktuatoren genutzt. Design of ladder lines. Such "circuit boards" are currently used, for example, as electrical connections for displays in series. These technologies are now preferred for the production of micro actuators.
Im Gegensatz zur Halbleiterherstellung sind in der Leiterplattentechnologie In contrast to semiconductor manufacturing are in PCB technology
Standardmethoden bekannt, welche gestapelte Lagen miteinander elektrisch verbinden: sogenannte Durchkontaktierungen und Durchkontaktierungsverfahren ermöglichen den sequentiellen Aufbau von planaren Induktivitäten. Hier haben sich die Stapelverfahren technologisch so weiterentwickelt, dass sie auf einer optischen Registrierung und Alignement basieren und somit Versatzgenauigkeiten unter 10pm erreicht werden. Standard methods known which stacked layers together electrically connect: so-called vias and vias allow the sequential build-up of planar inductors. Here, the stacking processes have evolved technologically so that they are based on optical registration and alignment and thus offset accuracies below 10pm are achieved.
Im Verlauf der letzten Jahre sind neue Laserbohr- und Laserschneidmethoden mit Kurzpulslasern und mit Ultrakurzpulslasern entwickelt worden, welche die Grenze der mechanischen Bearbeitung sehr weit zu sehr kleinen Strukturen verschiebt. Over the past few years, new laser drilling and laser cutting methods with short-pulse lasers and with ultra-short-pulse lasers have been developed, which push the limits of mechanical processing very far to very small structures.
War eine Durchkontaktierung bisher meist auf einem mechanisch gebohrten Loch basierend, können lasergebohrte Löcher im Durchmesser deutlich reduziert werden und damit Nutzfläche für die Ausbreitung der Induktivität gewonnen werden. Until now, through-hole plating was mostly based on a mechanically drilled hole, laser-drilled holes can be significantly reduced in diameter and thus usable space can be gained for the spreading of the inductance.
Heutiger Stand der Technik für das Herstellen der Leiterplattenkontur ist The current state of the art for the production of the circuit board contour is
Zerspanung, sprich Fräsen. Durch die gemäß einer Ausführungsform der Machining, i.e. milling. By according to an embodiment of the
Erfindung vorgeschlagene Verwendung von Laserverfahren ist es jetzt jedoch möglich, Leiterplattenkonturen auch für Leiterplattendicken bis über 0,6 mm subtraktiv über Laser zu schneiden. According to the invention proposed use of laser methods, it is now possible to subtractively cut circuit board contours for circuit board thicknesses up to more than 0.6 mm using lasers.
In Summe sind damit auch heute noch Toleranzen/Auflösungsgrenzen von 0,2 mm respektive 0,1 mm die Regel. Jedoch lassen die vorerwähnten All in all, tolerances / resolution limits of 0.2 mm or 0.1 mm are still the rule today. However, let the aforementioned
Fertigungsprozesse mit Strahlschneid- und Bohrverfahren wie Laserschneiden und Laserbohren 1/10 davon zu. Die Erfindung nutzt nun diese Manufacturing processes with jet cutting and drilling methods such as laser cutting and laser drilling 1/10 of it. The invention now uses this
Fertigungsprozesse, um auch in Leiterplattentechnik sehr kleine Dimensionen zu erreichen und damit einen auf Planarspulen basierenden Mikroaktuator zu schaffen, der mit hoher Kraft arbeitet und dennoch wirtschaftlich in Großserie herstellbar ist. Manufacturing processes in order to achieve very small dimensions even in printed circuit board technology and thus to create a micro actuator based on planar coils that works with high power and yet can be mass-produced economically.
Die Verwendung von Leiterplattentechnik ist mit bedeutend geringerem Aufwand und somit bedeutend geringeren Kosten als auf Fertigungstechnologien der Halbleitertechnik beruhende Fertigungsverfahren zu Durch die Verwendung der Leiterplattentechnik werden Produkte dann auch im hohen Stückzahlvolumen herzustellen sein, was den Zugang bis hin zum The use of printed circuit board technology requires significantly less effort and thus significantly lower costs than manufacturing processes based on semiconductor technology By using the printed circuit board technology, products will then also be able to be manufactured in large quantities, which increases access to
Consumermarkt offenhält. Auch sind in diesem Herstellungsumfeld bekannte Materialien sehr gut in ihren Eigenschaften bekannt und beherrschbar. Es sind auch Materialien möglich, die z.B. eine genügende Biokompatibilität für Consumers market open. Also in this manufacturing environment known materials are very well known and controllable in their properties. Materials are also possible, e.g. sufficient biocompatibility for
medizinische Einsätze aufweisen. have medical operations.
Durch die Herstellung der Spule in der Leiterplatte sind die Anordnungsgeometrien der Magnetfelder mit sehr geringen Toleranzen in Serie fertigbar. Dies ist sehr vorteilhaft, da in vielen Anwendungen als Antriebskraft nur auf die Lorentzkraft zurückgegriffen werden kann, die in Bezug auf das statische Magnetfeld sehr lageempfindlich ist. By producing the coil in the circuit board, the arrangement geometries of the magnetic fields can be manufactured in series with very small tolerances. This is very advantageous, since in many applications only the Lorentz force can be used as the driving force, which is very sensitive to the position in relation to the static magnetic field.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt: Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer mehrlagigen Fig. 1 is a schematic perspective view of a multi-layer
Planarspule für ein erstes Aktuatorelement eines Mikroaktuators;  Planar coil for a first actuator element of a micro actuator;
Fig. 2-7 Schnittdarstellungen durch ein Leiterplattenelement während Fig. 2-7 sectional views through a circuit board element during
unterschiedlicher Phasen zur Herstellung einer derartigen Planarspule bzw. eines derartigen Aktuatorelements;  different phases for producing such a planar coil or such an actuator element;
Fig. 8 eine schematische perspektivische Darstellung einer Leiterplatte, auf der eine Vielzahl von Planarspulenlagen nebeneinander herstellbar sind; 8 shows a schematic perspective illustration of a printed circuit board on which a multiplicity of planar coil layers can be produced side by side;
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Magnetfeldverteilung bei einem ersten Aktuatorelement und einem zweiten Aktuatorelement in einem Mikroaktuator; 9 shows a schematic illustration of the magnetic field distribution in a first actuator element and a second actuator element in a microactuator;
Fig. 10 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Mikroaktuators in einer Mikropumpe; Fig. 11 die Mikropumpe von Fig. 10 während eines Füllvorgangs; 10 shows a section through an exemplary embodiment of a microactuator in a micropump; FIG. 11 shows the micropump of FIG. 10 during a filling process;
Fig. 12 die Mikropumpe von Fig. 10 während eines Leervorgangs; FIG. 12 shows the micropump of FIG. 10 during an empty process;
Fig. 13 eine teils fotografische Darstellung, die ein zum Aufbau der Fig. 13 is a partly photographic representation, which is used to build the
Mikropumpe der Figuren 11 bis 12 geeignetes erstes Aktuatorelement im Größenvergleich mit einem 1 -Cent Stück zeigt;  The micropump of FIGS. 11 to 12 shows a suitable first actuator element in size comparison with a 1 cent piece;
Fig. 14a - 14c unterschiedliche vergrößerte Darstellungen einer 14a-14c different enlarged representations of a
Ausgestaltung des ersten Aktuatorelements von Fig. 10 bis 13;  Embodiment of the first actuator element from FIGS. 10 to 13;
Fig. 15 eine Fotografie mit einem Größenvergleich für eine Mikropumpe nach dem Stand der Technik; 15 is a photograph with a size comparison for a micropump according to the prior art;
Fig. 16 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Planarspulen in Leiterplattentechnik verwendenden Mikroaktuators zum Aufbau eines Mikrolinearmotors; 16 shows a section through a further embodiment of a microactuator using planar coils in printed circuit board technology for the construction of a microlinear motor;
Fig. 17, 18 unterschiedliche Funktionsstellungen des im Mikrolinearmotors von 17, 18 different functional positions of the in the microline motor of
Fig. 16;  Fig. 16;
Fig. 19-22 unterschiedliche Darstellungen eines Einzelbauteils zum Aufbau eines Fig. 19-22 different representations of a single component to build a
Mikroaktuators mit Planarspulentechnik, und  Microactuators with planar coil technology, and
Fig. 23 eine Darstellung unterschiedlicher Ausgestaltungen des Einzelbauteils von Fig. 19 bis 22 im Größenvergleich. 23 shows a representation of different configurations of the individual component from FIGS. 19 to 22 in a size comparison.
Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen Ausführungsformen für einen Mikroaktuator 10 erläutert. Embodiments for a microactuator 10 are explained below with reference to the accompanying drawings.
Ausführungsbeispiele für den Mikroaktuator 10 sind in den Figuren 9 bis 12 sowie 16 bis 18 dargestellt. Der Mikroaktuator 10 weist ein erstes Aktuatorelement 12 und ein zweites Exemplary embodiments for the microactuator 10 are shown in FIGS. 9 to 12 and 16 to 18. The micro actuator 10 has a first actuator element 12 and a second one
Aktuatorelement 14 auf, welche relativ zueinander beweglich sind. Actuator element 14, which are movable relative to each other.
Das erste Aktuatorelement 12 weist eine erste Magnetfelderzeugungseinheit 16 auf, mittels der aus einem elektrischen Strom 53 ein Magnetfeld 50 erzeugbar ist. Ein Ausführungsbeispiel für die Magnetfelderzeugungseinheit 16 ist in Fig. 1 dargestellt. Die Figuren 2 bis 7 zeigen unterschiedliche Stadien im Verlauf der Fierstellung einer solchen Magnetfelderzeugungseinheit 16 und auch im Verlauf der Fierstellung des ersten Aktuatorelements 12. The first actuator element 12 has a first magnetic field generation unit 16, by means of which a magnetic field 50 can be generated from an electrical current 53. An embodiment of the magnetic field generating unit 16 is shown in FIG. 1. FIGS. 2 to 7 show different stages in the course of the free position of such a magnetic field generating unit 16 and also in the course of the free position of the first actuator element 12.
Das zweite Aktuatorelement 14 ist dazu ausgebildet, durch Einwirkung des durch die Magnetfelderzeugungseinheit 16 erzeugten Magnetfelds bewegt zu werden. The second actuator element 14 is designed to be moved by the action of the magnetic field generated by the magnetic field generating unit 16.
Insgesamt wird hierdurch ein elektrodynamischer Mikroaktuator 10 geschaffen. Overall, this creates an electrodynamic microactuator 10.
Wie in Fig. 1 dargestellt, weist ein Ausführungsbeispiel der As shown in Fig. 1, an embodiment of the
Magnetfelderzeugungseinheit 16 eine aus mehreren Planarspulenlagen 18a-18d gebildete Planarspule 20 auf. Jede Planarspulenlage 18a-18d ist durch Magnetic field generating unit 16 has a planar coil 20 formed from a plurality of planar coil layers 18a-18d. Each planar coil layer 18a-18d is through
spiralförmig angeordnete Leiterschleifen 22 ausgebildet, wobei die Enden der Planarspulenlagen 18a-18d über Vias 24 miteinander zu der Planarspule 20 verbunden sind. Spirally arranged conductor loops 22 are formed, the ends of the planar coil layers 18a-18d being connected to one another via vias 24 to form the planar coil 20.
Die Fierstellung der Planarspule 20 erfolgt in Leiterplattentechnik, wie dies im Folgenden anhand der Fig. 2 bis 7 näher erläutert wird. The planar coil 20 is fixed in printed circuit board technology, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 7.
Fig. 2 zeigt dabei eine Leiterplattenlage 26 zum Aufbau eines Multilayer- Leiterplattenelements 28. 2 shows a circuit board layer 26 for the construction of a multilayer circuit board element 28.
Die Leiterplattenlage 26 weist ein Leiterplattensubstrat 30 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, insbesondere Kunststoff und/oder faserverstärkten The circuit board layer 26 has a circuit board substrate 30 made of an electrically insulating material, in particular plastic and / or fiber-reinforced
Kunststoff auf. Das Leiterplattensubstrat 30 kann starr oder flexibel ausgebildet sein. Das Leiterplattensubstrat 30 weist eine Dicke zwischen 0,2 mm und 1 ,5 mm auf. Auf wenigstens einer, vorzugsweise beiden Seiten der Leiterplattenlage 26 ist eine Leiterschicht 32 aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, mehr insbesondere Kupfer ausgebildet. Plastic on. The circuit board substrate 30 can be rigid or flexible. The printed circuit board substrate 30 has a thickness between 0.2 mm and 1.5 mm. On at least one, preferably both sides of the circuit board layer 26 a conductor layer 32 made of an electrically conductive material, in particular metal, more particularly copper.
An jeder Leiterschicht 32 wird jeweils eine der Planarspulenlagen 18a-18d ausgebildet. One of the planar coil layers 18a-18d is formed on each conductor layer 32.
Hierzu wird wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, eine photoresistive Schicht 34 aufgetragen und weiter eine Belichtungsmaske 36 aufgelegt. Anstelle einer Belichtung über Belichtungsmasken 36, die die Struktur der Planarspulenlagen 18a-18d sowie eventuelle Anschlüsse vorgeben, können auch andere selektive Belichtungsverfahren, beispielsweise Laserbelichtungen oder Strahlbelichtungen mittels Strahlscannen verwendet werden. For this purpose, as shown in FIG. 3, a photoresistive layer 34 is applied and an exposure mask 36 is further applied. Instead of exposure via exposure masks 36, which specify the structure of the planar coil layers 18a-18d and any connections, other selective exposure methods, for example laser exposures or beam exposures by means of beam scanning, can also be used.
Die jeweils belichteten Bereiche der photoresistiven Schicht 34 verändern ihre chemischen Eigenschaften, so dass die nicht belichteten Bereiche durch Ätzen oder dergleichen entfernt werden können, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. The respectively exposed areas of the photoresistive layer 34 change their chemical properties so that the unexposed areas can be removed by etching or the like, as shown in FIG. 4.
Anschließend erfolgt, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, ein Entfernen derjenigen Bereiche der Leiterschichten 32, die nicht mit dem belichteten photoresistiven Schichtbereichen 34 versehen sind. So bleiben die Leiterschleifen 22 der Subsequently, as shown in FIG. 5, those regions of the conductor layers 32 which are not provided with the exposed photoresistive layer regions 34 are removed. So the conductor loops 22 remain
Planarspulenlagen 18a-18d auf dem Leiterplattensubstrat 30 stehen. Stand planar coil layers 18a-18d on the circuit board substrate 30.
Allgemein werden die Planarspulenlagen 18a-18d durch lithografische Verfahren an einem Leiterplattenelement 26, 28 hergestellt. Das gemäß den Fig. 2 bis 5 erläuterte lithografische Verfahren ist hier nur als Beispiel zu sehen. Generally, the planar coil layers 18a-18d are fabricated on a circuit board element 26, 28 by lithographic processes. The lithographic process explained in accordance with FIGS. 2 to 5 can only be seen here as an example.
Anschließend werden mehrere der mit den Planarspulenlagen 18a, 18b auf beiden Seiten versehenen Leiterplattenlagen 26 unter Zwischenlage von elektrischen Isolationsschichten 38 aufeinandergelegt und unter Anwendung von Wärme und Druck miteinander verpresst, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Subsequently, several of the printed circuit board layers 26 provided with the planar coil layers 18a, 18b on both sides are placed one on top of the other with the interposition of electrical insulation layers 38 and pressed together using heat and pressure, as shown in FIG. 9.
Die elektrische Isolationsschicht 38 kann zum Beispiel aus noch nicht For example, the electrical insulation layer 38 cannot yet
ausgehärtetem Kunststoff gebildet sein. Insbesondere ist ein Prepreg-Material vorgesehen. Der so entstehende Sandwich-Aufbau aus mehreren Leiterplattenlagen 26 und dazwischen eingefügten Isolationsschichten 38 wird anschließend, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, unter Anwendung von Druck und Wärme oder dergleichen ausgehärtet. cured plastic be formed. In particular, a prepreg material is provided. The resulting sandwich structure made up of several Printed circuit board layers 26 and insulation layers 38 interposed therebetween are then cured, as shown in FIG. 6, using pressure and heat or the like.
Es entsteht so ein Multilayer-Leiterplattenelementrohling 40, der in Fig. 7 näher dargestellt ist. A multilayer printed circuit board element blank 40 is thus created, which is shown in more detail in FIG. 7.
Es ist möglich, dass der Multilayer-Leiterplattenelementrohling 40 wie dargestellt nur eine Planarspule 20 mit den unterschiedlichen Planarspulenlagen 18a-18d enthält. Besonders bevorzugt ist jedoch, dass nicht nur eine Planarspule 20 in einem Schritt hergestellt wird, sondern dass nebeneinander eine Vielzahl von Planarspulen 20 hergestellt werden. It is possible that the multilayer printed circuit board element blank 40 contains only one planar coil 20 with the different planar coil layers 18a-18d as shown. However, it is particularly preferred that not only one planar coil 20 is produced in one step, but that a plurality of planar coils 20 are produced side by side.
Fig. 8 zeigt zum Beispiel eine Leiterplattenlage 26 bei der an jedem der For example, Fig. 8 shows a circuit board layer 26 on each of the
dargestellten Felder 42 jeweils eine der Planarspulenlagen 18a, oder betrachtet man beide Seiten gegenüberliegende Planarspulenlagen 18a, 18b, hergestellt werden. Diese mit vielen Feldern 42 versehenen Leiterplattenlagen 26 können gemeinsam zu einem großen Multilayer-Leiterplattenelementrohling 40 verpresst werden, der nebeneinander viele der Planarspulen 20 enthält. shown fields 42 each one of the planar coil layers 18a, or if one looks at planar coil layers 18a, 18b lying opposite both sides. These printed circuit board layers 26, which are provided with many fields 42, can be pressed together to form a large multilayer printed circuit board element blank 40 which contains many of the planar coils 20 next to one another.
Unabhängig davon, ob nur eine der Planarspulen 20 oder mehrere der Regardless of whether only one of the planar coils 20 or more of the
Planarspulen 20 nebeneinander in einem Multilayer-Leiterplattenelementrohling 40 hergestellt werden, erfolgt gemäß Fig. 7 anschließend an das Verpressen und das Aushärten das Herstellen der Vias 24 mittels Laserbohren, wobei ein erster Laserstrahl 44 zum Andeuten des Laserbohrens dargestellt ist. Nach dem If planar coils 20 are produced side by side in a multilayer printed circuit board element blank 40, according to FIG. 7, after pressing and curing, the vias 24 are produced by means of laser drilling, a first laser beam 44 being shown to indicate laser drilling. After this
Erzeugen einer entsprechenden Bohrung wird diese anschließend mit elektrisch leitendem Material, zum Beispiel Zinn oder dergleichen, zum Herstellen der Vias 24 verfüllt. Es können auch feste Metallstäbe zum Herstellen der Vias 24 durch die entsprechenden Bohrungen geführt werden. To produce a corresponding hole, it is then filled with electrically conductive material, for example tin or the like, for producing the vias 24. Solid metal rods can also be passed through the corresponding bores for producing the vias 24.
Wie in Fig. 7 durch einen zweiten Laserstrahl 46 angedeutet, erfolgt dann ein Zuschneiden des Multilayer-Leiterplattenelementrohlings 40, um so ein mit der mit der Planarspule 20 versehenes Multilayer-Leiterplattenelement 28 herzustellen. Durch entsprechende Formung des Multilayer-Leiterplattenelements 28 kann dieses ohne Weiteres unmittelbar als erstes Aktuatorelement 12 verwendet werden. Dabei dienen die Bereiche aus Kunststoff/Isolationsmaterial des As indicated in FIG. 7 by a second laser beam 46, the multilayer printed circuit board element blank 40 is then cut to produce a multilayer printed circuit board element 28 provided with the planar coil 20. By appropriately shaping the multilayer circuit board element 28, it can be used directly as the first actuator element 12 without further ado. The areas made of plastic / insulation material of the
Multilayer-Leiterplattenelements 28 als Gehäuse 64, in welches die Planarspule 20 mit ihren unterschiedlichen Planarspulenlagen 18a-18d eingebettet ist. Multilayer circuit board element 28 as a housing 64, in which the planar coil 20 with its different planar coil layers 18a-18d is embedded.
In Fig. 9 ist die Funktion des Mikroaktuators 10 mit dem ersten Aktuatorelement 12 und dem zweiten Aktuatorelement 14 dargestellt. Durch Leiten eines Stromes 53 über eine - hier nicht näher dargestellte - Steuerung durch die Planarspule 20 wird ein Magnetfeld erzeugt. 9 shows the function of the microactuator 10 with the first actuator element 12 and the second actuator element 14. A magnetic field is generated by passing a current 53 through a control (not shown here) through the planar coil 20.
Fig. 9 stellt insbesondere die Lageempfindlichkeit zwischen dem Magnetfeld und der Spule dar. Fig. 9 zeigt eine radiale Spule, gebildet beispielsweise durch eine oder mehrere der Leiterschleifen 22, welche mit dem Strom 53 bestromt ist. Die Dreiecke in der Figur stellen die Ausbildung des Magnetfelds 50 unter Einfluss auch des Permanentmagnetrings des Magneten 52 dar. FIG. 9 shows in particular the position sensitivity between the magnetic field and the coil. FIG. 9 shows a radial coil, formed for example by one or more of the conductor loops 22, which is supplied with current 53. The triangles in the figure represent the formation of the magnetic field 50 under the influence of the permanent magnet ring of the magnet 52.
Das zweite Aktuatorelement 14 ist dazu ausgebildet, unter Einfluss des The second actuator element 14 is designed to be influenced by the
Magnetfeldes 50 angetrieben zu werden. Beispielsweise weist das zweite Magnetic field 50 to be driven. For example, the second one
Aktuatorelement 14 einen Magneten 52, insbesondere einen Permanentmagneten auf. So wird das zweite Aktuatorelement 14 je nach Polung und Stärke des Magnetfeldes relativ zu dem ersten Aktuatorelement 12 angezogen oder abgestoßen. Actuator element 14 has a magnet 52, in particular a permanent magnet. Depending on the polarity and strength of the magnetic field, the second actuator element 14 is attracted or repelled relative to the first actuator element 12.
Durch die Ausbildung der Planarspulen 20 mittels lithografischer Techniken an einem Leiterplattenelement 28 lassen sich Leiterschleifen 22 mit hoher By forming the planar coils 20 by means of lithographic techniques on a circuit board element 28, conductor loops 22 can be made high
Packungsdichte und sehr geringer Breite hersteilen. Hierdurch sind relativ hohe Magnetkräfte erzeugbar, insbesondere da die Abstände zwischen dem Magneten 52 des zweiten Aktuatorelements 14 und der Magnetfelderzeugungseinheit 16 des ersten Aktuatorelements 12 sehr gering sind. Make packing density and very small width. As a result, relatively high magnetic forces can be generated, in particular since the distances between the magnet 52 of the second actuator element 14 and the magnetic field generation unit 16 of the first actuator element 12 are very small.
Hierdurch lässt sich mittels des Mikroaktuators 10 beispielsweise eine This allows, for example, a microactuator 10
Mikropumpe 54 hersteilen, von der ein Ausführungsbeispiel in den Fig. 10 bis 12 dargestellt ist. Allgemein sind bei dem Mikroaktuator 10 das erste Aktuatorelement 12 und das zweite Aktuatorelement 14 vorzugsweise elastisch miteinander verbunden. Manufacture micropump 54, an exemplary embodiment of which is shown in FIGS. 10 to 12. In general, in the microactuator 10, the first actuator element 12 and the second actuator element 14 are preferably elastically connected to one another.
Beispielsweise kann ein elastisches Element 56, wie zum Beispiel eine Feder oder eine Membran 58 zur Verbindung zwischen den Aktuatorelementen 12, 14 vorgesehen sein. Das elastische Element 56 kann zum Beispiel auch durch einen elastischen Körper oder dergleichen gebildet sein. For example, an elastic element 56, such as a spring or a membrane 58, can be provided for the connection between the actuator elements 12, 14. The elastic element 56 can also be formed, for example, by an elastic body or the like.
Das elastische Element 56 kann insbesondere im entspannten Zustand eine Ruhelage definieren, wobei eine Auslenkung unter Betätigung des Magnetfeldes aus der Magnetfelderzeugungseinheit 16 erfolgen kann. The elastic element 56 can define a rest position, in particular in the relaxed state, it being possible for deflection to occur while actuating the magnetic field from the magnetic field generating unit 16.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Mikropumpe 54 ist als elastisches Element 56 die Membran 58 vorgesehen, welche auch ein Pumpvolumen 60 in der In the embodiment of the micropump 54, the membrane 58 is provided as the elastic element 56, which also has a pump volume 60 in the
Mikropumpe 54 abschließt. Micropump 54 completes.
Beispielhaft für den Einsatz der Mikroaktuatoren 10 auf elektromagnetischer Basis ist die in den Figs. 10 bis 12 gezeigte Mikromembranpumpe 55 dargestellt. Bei ihr ist das in Fig. 9 und Fig. 1 erläuterte Spulen/Magnetsystem - gebildet aus dem ersten Aktuatorelement 12 und dem zweiten Aktuatorelement 14 - als An example of the use of micro-actuators 10 on an electromagnetic basis is that shown in FIGS. 10 to 12 shown micro diaphragm pump 55. In this case, the coil / magnet system explained in FIGS. 9 and 1 - formed from the first actuator element 12 and the second actuator element 14 - as
Antriebseinheit eingesetzt worden. Drive unit has been used.
Die Mikropumpe 54 weist das durch die als elastisches Element 56 ausgebildete erste Membran 58 und das durch das erste Aktuatorelement 12 gebildete The micropump 54 has the first membrane 58 formed as an elastic element 56 and that formed by the first actuator element 12
Gehäuse 64 begrenzte Pumpvolumen 60 auf. Housing 64 limited pump volume 60.
Weiter weist die Mikropumpe 54 ein erstes Membranventil 66 und ein zweites Membranventil 68 auf, die in einem Deckel 62 des Gehäuses 64, vorgesehen sind. Zur Fierstellung wurden in dem Deckel 62 selektiv mit Laserbohrungen 70 vorgesehen, welche mit Folienelementen 72 verschließbar sind. Die Furthermore, the micropump 54 has a first diaphragm valve 66 and a second diaphragm valve 68, which are provided in a cover 62 of the housing 64. For the positioning of the cover 62 were selectively provided with laser bores 70 which can be closed with foil elements 72. The
Folienelemente 72 können selektiv mit Laser freigeschnitten sein. Sie sind entsprechend so angebracht, dass das erste Membranventil 66 in eine Film elements 72 can be selectively cut free with a laser. They are attached accordingly so that the first diaphragm valve 66 in a
unterschiedliche Richtung als das zweite Membranventil 68 wirkt. Weiter weist die Mikropumpe 54 das mit dem Magnet 52 - beispielsweise ausgebildet als Magnetring - versehene zweite Aktuatorelement 14 auf, welches z. B. konzentrisch zu dem ersten Aktuatorelement 12 bewegbar ist. Insbesondere sind die Aktuatorelemente 12, 14 konzentrisch ineinander geschachtelt. different direction than the second diaphragm valve 68 acts. Furthermore, the micropump 54 has the second actuator element 14, which is provided with the magnet 52, for example in the form of a magnetic ring. B. is concentric to the first actuator element 12. In particular, the actuator elements 12, 14 are nested concentrically one inside the other.
Das zweite Aktuatorelement 14 ist vorzugsweise mit einem statischen Magnetfeld ausgestattet. The second actuator element 14 is preferably equipped with a static magnetic field.
Die Planarspule 20, die entsprechend zuvor anhand der Figs. 1 bis 8 erläuterten Verfahrensweise hergestellt worden ist, ist ebenfalls im Querschnitt in Fig. 10 zu sehen. Die Planarspule 20 ist radial ausgeformt und dient als Antriebsspule. The planar coil 20, which previously correspondingly with reference to Figs. 1 to 8 has been produced, can also be seen in cross section in FIG. 10. The planar coil 20 is shaped radially and serves as a drive coil.
Weiter sind Durchkontaktierungen 74a, 74b dargestellt, um die einzelnen Vias 74a, 74b are also shown to show the individual
Planarspulenlagen 18a-18d der Windungsebenen der Planarspule 20 miteinander elektrisch zu verbinden. To electrically connect planar coil layers 18a-18d of the winding planes of planar coil 20 to one another.
Durch die elektrischen Planarspulenlagen 18a-18d und die Ausbildung des Gehäuses 74 und durch Isolationsschichtlagen 38 ergibt sich ein als Gehäuse 64 wirkender Gesamtkörper. The electrical planar coil layers 18a-18d and the design of the housing 74 and insulation layer layers 38 result in an overall body acting as a housing 64.
Das Gehäuse 64 ist - zum Beispiel außen - mit einer ferromagnetischen Schicht 76 versehen, welche als magnetischer Rückschluss wirkt und so die magnetische Weglänge reduziert. The housing 64 is provided, for example on the outside, with a ferromagnetic layer 76 which acts as a magnetic yoke and thus reduces the magnetic path length.
Die Membran 58 bildet eine Suspensionsmembran, welche die Aufhängung des durch den Magneten 52 gebildeten zweiten Aktuatorelements 14 und den The membrane 58 forms a suspension membrane, which the suspension of the second actuator element 14 formed by the magnet 52 and the
Abschluss des Pumpvolumens 60 nach unten bildet und auch einen Teil der Rückstellkräfte übernimmt. Forms the end of the pump volume 60 downwards and also takes over part of the restoring forces.
Fig. 11 zeigt einen Vorgang des Füllens. Durch die Bestromung der als 11 shows a process of filling. By energizing the as
Antriebsspule wirkenden Planarspule 20 mit einem Strom 53 wird der Magnet 52 nach unten ausgelenkt. Diese Auslenkung führt zu einer Volumenvergrößerung, welche ein Füllen des Pumpvolumens über das erste Membranventil 66 nach sich zieht. Fig. 12 zeigt einen Vorgang des Leerens der Mikropumpe 54. Durch die Umkehr der Stromrichtung wird der Magnet 52 wieder in Richtung als Antriebsspule wirkende Planarspule 20 gezogen und bewirkt damit einen Drive coil acting planar coil 20 with a current 53, the magnet 52 is deflected downward. This deflection leads to an increase in volume, which results in the pump volume being filled via the first diaphragm valve 66. 12 shows a process of emptying the micropump 54. By reversing the direction of the current, the magnet 52 is again drawn in the direction of the planar coil 20, which acts as the drive coil, and thus causes one
Pumpenvolumenreduzierung. Diese zieht einen Ausstoß des Pumpmediums durch das zweite Membranventil 68 nach sich. Pump volume reduction. This causes the pump medium to be expelled through the second diaphragm valve 68.
Fig. 13 zeigt einen Größenvergleich des als Antriebssystem wirkenden Fig. 13 shows a size comparison of the one acting as the drive system
Aktuatorelements 12 mit einem 1 -Cent-Stück. Das erste Aktuatorelement 12 weist einen Durchmesser von nur 5 mm auf. Actuator element 12 with a 1 cent piece. The first actuator element 12 has a diameter of only 5 mm.
Fig. 14a bis 14c zeigen unterschiedliche Darstellungen eines 14a to 14c show different representations of a
Ausführungsbeispiels des ersten Aktuatorelements 12, welches bei der Embodiment of the first actuator element 12, which in the
Mikropumpe 54 eingesetzt wird. Wie ersichtlich, sind an der Außenseite des Multilayer-Leiterplattenelements 28 unterschiedliche Kontaktpads 78 für Micropump 54 is used. As can be seen, there are different contact pads 78 for on the outside of the multilayer circuit board element 28
Anschlüsse an die Steuerung und/oder Elektronik zur Lieferung des Connections to the control and / or electronics for delivery of the
Antriebsstromes vorgesehen. Wie aus dem Schnitt von Fig. 14c erkennbar, sind insgesamt vier Leiterplattenlagen 26 mit jeweils zwei Planarspulenlagen 18a, 18b bzw. 18c, 18d aufeinandergestapelt, so dass die Planarspule 20 insgesamt 8 Planarspulenlagen aufweist. Dies ist nur ein Beispiel allgemein können n Drive current provided. As can be seen from the section of FIG. 14c, a total of four printed circuit board layers 26, each with two planar coil layers 18a, 18b or 18c, 18d, are stacked on one another, so that the planar coil 20 has a total of 8 planar coil layers. This is just one general example
Leiterplattenlagen 26 mit n größer oder gleich 1 oder 2 vorgesehen sein, insbesondere ist n gleich 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10. Printed circuit board layers 26 with n greater than or equal to 1 or 2 may be provided, in particular n is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10.
Fig. 15 zeigt einen Größenvergleich mit einer piezobetriebenen Mikropumpe nach dem Stand der Technik. Die elektrodynamische Mikropumpe 54 gemäß 15 shows a size comparison with a piezo-operated micropump according to the prior art. The electrodynamic micropump 54 according to
Ausführungsbeispielen der Erfindung ist demnach sehr kompakt ausgebildet und weist eine bessere Leistungsfähigkeit als bisherige piezobetriebene Mikropumpen auf. Embodiments of the invention are therefore very compact and have better performance than previous piezo-operated micropumps.
Anstelle des gezeigten Nutzens des elektrodynamischen Antriebes von Instead of the shown benefit of the electrodynamic drive from
Planarspulen 20 in Leiterplattentechnik an Mikropumpen 54 sind Planar coils 20 in printed circuit board technology on micropumps 54
selbstverständlich auch andere Verwendungen des Mikroaktuators 10 denkbar. Der Mikroaktuator 10 kann zum Beispiel auch zum Schalten elektrischer Vorgänge oder zur Positionierung von optischen Elementen, wie zum Beispiel Linsen oder Spiegelelementen, eingesetzt werden. Dies ist in den Zeichnungen nicht näher dargestellt; es wird für nähere Einzelheiten zur weiteren möglichen other uses of the microactuator 10 are of course also conceivable. The microactuator 10 can also be used, for example, to switch electrical processes or to position optical elements, such as lenses or mirror elements. This is not shown in the drawings; it will be possible for further details on further
Einsatzgebieten auch auf die Literaturstellen [2] und [3] verwiesen. Fields of application also refer to references [2] and [3].
Beispielsweise könnten an dem ersten und dem zweiten Aktuatorelement 12, 14 anstelle einer Membran wie bei der Mirkopumpe 54 erläutert jeweils eine Linse angeordnet werden, wobei ein Fokusierung oder sonstige Einstellung durch Relativverschiebung der Linsen erfolgt. Bei einer anderen Ausgestaltung ist eine elastische Linse vorgesehen, deren Form durch Relativbewegung der For example, a lens could be arranged on the first and second actuator elements 12, 14 instead of a membrane as explained for the micro pump 54, focusing or other adjustment being carried out by relative displacement of the lenses. In another embodiment, an elastic lens is provided, the shape of which by relative movement of the
Aktuatorelemente veränderbar ist. Actuator elements is changeable.
Bei einer anderen (nicht dargestellten) Ausgestaltung ist eines der In another embodiment (not shown), one of the
Aktuatorelemente 12, 14 mit einer Kontaktplatte versehen, die bei Actuator elements 12, 14 provided with a contact plate, which at
Relativbewegung der Aktuatorelemente einen elektrischen Kontakt schließt oder öffnet. Dadurch ist ein elektrischer Schalter gebildet. Relative movement of the actuator elements closes or opens an electrical contact. An electrical switch is thereby formed.
Es könnten auch mechanische Vorgänge durchgeführt werden. Beispielsweise ist an einem der Aktuatorelemente ein Riegel angelenkt, mit dem ein Verriegelungs- und Entriegelungsvorgang durchführbar ist (elektronisches Schloss). Mechanical operations could also be performed. For example, a bolt is articulated on one of the actuator elements with which a locking and unlocking process can be carried out (electronic lock).
Insbesondere könnte ein Riegel durch eine Schubstange 82 der im Folgenden anhand der Fig. 16 bis 18 erläuterten weiteren Ausgestaltung des Mikroaktuators 10 gebildet werden.  In particular, a bolt could be formed by a push rod 82 of the further embodiment of the microactuator 10 explained below with reference to FIGS. 16 to 18.
In Fig. 16 bis 18 ist als weiteres Beispiel für die vorteilhafte Verwendung des Mikroaktuators 10 ein linearer synchroner Mikromotor - Linearmotor 88 - gezeigt. Unter Verwendung der Herstellungstechnologie für das Spulensystem in einer Axialflussmaschine 80 sind äußerst kleine lineare Antriebe zu realisieren. Diese können sehr kleine Zylinder ersetzen. Weiter kann die Funktion sehr kleiner Zylinder durch die Positionierbarkeit eines synchronen Antriebs erweitert werden. Zudem kann ein solcher Antrieb extreme Beschleunigungen verwirklichen. Solch eine Synchronmaschine ist mit gestapelten Ringen aus Magneten 52 umsetzbar, welche über eine Zugstange 82 miteinander montiert werden. In der in den Figuren dargestellten Lage der Magnetfelder muss ein solches System von Magneten 52 gegen deren Abstoßkraft in diese Lage gezogen werden und entsprechend fixiert werden, damit sich die überlagernden Pole ausbilden. 16 to 18, a linear synchronous micromotor - linear motor 88 - is shown as a further example of the advantageous use of the microactuator 10. Using the manufacturing technology for the coil system in an axial flow machine 80, extremely small linear drives can be realized. These can replace very small cylinders. The function of very small cylinders can also be expanded by the positionability of a synchronous drive. Such a drive can also achieve extreme accelerations. Such a synchronous machine can be implemented with stacked rings made of magnets 52, which are assembled with one another via a pull rod 82. In the position of the magnetic fields shown in the figures, such a system of magnets 52 must be pulled into this position against their repulsive force and fixed accordingly, so that the superposed poles form.
Demnach weist das zweite Aktuatorelement 14 bei diesen Ausführungsformen ein aus mehreren Magneten 52 gebildetes Magnetsystem 84 mit einer Stange 82 auf. Accordingly, in these embodiments, the second actuator element 14 has a magnet system 84 formed from a plurality of magnets 52 with a rod 82.
Das erste Aktuatorelement 12 weist eine oder mehrere der Planarspulen 20 auf. Die einen oder mehreren Planarspulen 20 sind zirkular zum Magnetsystem 84 ausgebildet. Die Spulen 20 werden lithografisch in Leiterplattentechnolgie hergestellt. Damit kommen sie fertigungsinherent als stabiles Bauteil vor. The first actuator element 12 has one or more of the planar coils 20. The one or more planar coils 20 are circular to the magnet system 84. The coils 20 are manufactured lithographically using printed circuit board technology. This means that they are inherently stable in production.
Somit sind auch sehr kleine Spaltmaße zwischen dem ersten Aktuatorelement 12 - wirkt hier als Stator 86 - und dem als Abtriebselement - Läufer 90 - wirkenden zweiten Aktuatorelement 14 erreichbar. Somit ist die Kopplung des über die Spulen 20 induzierten Magnetfeldes mit dem statischen Magnetfeld des Läufers 90 wesentlich verbessert. This means that even very small gap dimensions can be achieved between the first actuator element 12 - here acts as a stator 86 - and the second actuator element 14 - which acts as an output element - rotor 90. The coupling of the magnetic field induced via the coils 20 to the static magnetic field of the rotor 90 is thus significantly improved.
Sehr einfach sind Außendurchmesser von 6-8 mm für das Gesamtsystem zu erreichen. 3-4 mm für das Gesamtsystem sind mit etwas mehr Aufwand erreichbar. Outside diameters of 6-8 mm are very easy to achieve for the overall system. 3-4 mm for the entire system can be achieved with a little more effort.
Durch eine geeignete Ansteuerung können mit diesem Linearmotor 88 auch Positionierungsvorgänge durchgeführt werden. By means of a suitable control, positioning operations can also be carried out with this linear motor 88.
Durch eine Vervielfältigung der Antriebsspulen oder des Magnetsystems kann der Verfahrweg und der Schub angepasst werden. The travel path and the thrust can be adjusted by duplicating the drive coils or the magnet system.
In dieser Konfiguration bedarf es keiner Stromzuführung zum als Läufer 90 wirkenden zweiten Aktuatorelement 14, wodurch sich prinzipiell auch ein „endloser“ Verfahrweg verwirklichen lässt. Durch eine geeignete Verschaltung der Spulen 20 kann die dynamische In this configuration, no power supply is required to the second actuator element 14, which acts as a rotor 90, which in principle also enables an “endless” travel path to be realized. The dynamic
Systemeigenschaft angepasst werden. System property can be adjusted.
Über die Leiterplattenelemente 28 kann zudem über ein Luftführungskanalsystem (hier nicht dargestellt) eine Luftlagerung eingearbeitet werden. Damit wird dann auch die Funktion der linearen Führung integriert. An air bearing can also be incorporated via the circuit board elements 28 via an air duct system (not shown here). This also integrates the linear guide function.
Die Fig. 19 bis 23 zeigen Beispiele für Bauteile zum Aufbau weiterer 19 to 23 show examples of components for the construction of further
Ausführungsformen des Mikroaktuators 10. Es sind unterschiedliche Bauformen erreichbar. Fig. 19 und 20 zeigen eine weitere Ausgestaltung des Multilayer- Leiterplattenrohlings 40 in unterschiedlichen Perspektiven. Bei dieser Embodiments of the microactuator 10. Different designs can be achieved. 19 and 20 show a further embodiment of the multilayer printed circuit board blank 40 in different perspectives. At this
Ausgestaltung sind die Planarspulen 20 mit den unterschiedlichen Design are the planar coils 20 with the different
Planarspulenlagen 18a, 18b, 18c rechteckig ausgebildet. Planar coil layers 18a, 18b, 18c are rectangular.
Fig. 21 und 22 zeigen Schnitte durch das aus dem Multilayer-Leiterplattenrohling 40 der Fig. 19 und 20 hergestellten Multilayer-Leiterplattenelements 28 mit einer rechteckigen inneren Öffnung 92. Die Öffnung 92 wird, wie oben anhand Fig. 7 beschrieben hergestellt. 21 and 22 show sections through the multilayer printed circuit board element 28 produced from the multilayer printed circuit board blank 40 of FIGS. 19 and 20 with a rectangular inner opening 92. The opening 92 is produced as described above with reference to FIG. 7.
Mehrere dieser Mulitlayer-Leiterplattenelemente 28 von Fig. 21 und 22 können mit zueinander fluchtenden Öffnungen 92 aufeinandergelegt werden, um so z.B. den Stator 86 des Linearmotors 88 der Fig. 16 bis 18 zu bilden. Bei anderen Several of these multilayer printed circuit board elements 28 from FIGS. 21 and 22 can be placed one on top of the other with openings 92 aligned with one another, so as to e.g. to form the stator 86 of the linear motor 88 of FIGS. 16 to 18. With others
Ausgestaltungen wird ein einzelnes dieser Multilayer-Leiterplattenelemente 28 oder eine aufeinandergestapelte Anordnung aus mehreren dieser Multilayer- Leiterplattenelemente 28 als erstes Aktuatorelement 12 des Mikroaktuators 10 in einer Ausgestaltung als Mikropumpe, optisches Element, Schalter oder A single one of these multilayer printed circuit board elements 28 or a stacked arrangement of several of these multilayer printed circuit board elements 28 is configured as the first actuator element 12 of the microactuator 10 in a configuration as a micropump, optical element, switch or
dergleichen, wie oben ausgeführt, verwendet. the like, as used above.
Fig. 23 zeigt mehrere unterschiedlicher dieser Multilayer-Leiterplattenelemente 28 mit unterschiedlichen Formen im Größenvergleich auf einer karierten Unterlage, bei der die benachbarten Linien einen Abstand von 5 mm haben. Bezugszeichenliste: 23 shows several different of these multilayer printed circuit board elements 28 with different shapes in a size comparison on a checkered surface, in which the adjacent lines are 5 mm apart. Reference symbol list:
10 Mikroaktuator  10 micro actuator
12 erstes Aktuatorelement  12 first actuator element
14 zweites Aktuatorelement  14 second actuator element
16 Magnetfelderzeugungseinheit 16 magnetic field generating unit
18a erste Planarspulenlage 18a first planar coil position
18b zweite Planarspulenlage  18b second planar coil position
18c dritte Planarspulenlage  18c third planar coil position
18d vierte Planarspulenlage  18d fourth planar coil position
20 Planarspule  20 planar coil
22 Leiterschleife  22 conductor loop
24 Via  24 Via
26 Leiterplattenlage  26 PCB position
28 Multilayer-Leiterplattenelement 28 multilayer circuit board element
30 Leiterplattensubstrat 30 circuit board substrate
32 Leiterschicht  32 conductor layer
34 photoresistive Schicht  34 photoresistive layer
36 Belichtungsmaske  36 exposure mask
38 elektrische Isolationsschicht  38 electrical insulation layer
40 Multilayer-Leiterplattenelementrohling 40 multilayer printed circuit board element blank
42 Feld 42 box
44 erster Laserstrahl  44 first laser beam
46 zweiter Laserstrahl  46 second laser beam
48 Multilayer-Leiterplattenelement 48 multilayer circuit board element
50 Magnetfeld 50 magnetic field
52 Magnet  52 magnet
53 Strom  53 electricity
54 Mikropumpe  54 micropump
55 Mikromembranpumpe  55 micro diaphragm pump
56 elastisches Element  56 elastic element
58 Membran  58 membrane
60 Pumpvolumen  60 pump volume
62 Deckel  62 cover
64 Gehäuse erstes Membranventil zweites Membranventil Bohrung 64 housing first diaphragm valve second diaphragm valve bore
Folienelement Foil element
a erste Durchkontaktierungb zweite Durchkontaktierung ferromagnetische Schicht Kontaktpad a first via b second via ferromagnetic layer contact pad
Axialflussmaschine Zugstange  Axial flow machine pull rod
Magnetsystem  Magnet system
Stator  stator
Linearmotor  Linear motor
Läufer  runner
Öffnung  opening

Claims

Ansprüche: Expectations:
1. Mikroaktuator (10), umfassend ein erstes Aktuatorelement (12) mit einer Magnetfelderzeugungseinheit (16) und ein relativ zu der 1. Micro actuator (10), comprising a first actuator element (12) with a magnetic field generating unit (16) and one relative to the
Magnetfelderzeugungseinheit (16) durch Einwirkung eines durch die Magnetic field generating unit (16) by the action of a
Magnetfelderzeugungseinheit (16) erzeugten Magnetfeldes bewegbares zweites Aktuatorelement (14), wobei die Magnetfelderzeugungseinheit (16) wenigstens eine an einer Leiterschicht (32) eines Leiterplattenelements (26, 28) ausgebildete Planarspule (20) aufweist. Magnetic field generating unit (16) generated magnetic field movable second actuator element (14), the magnetic field generating unit (16) having at least one planar coil (20) formed on a conductor layer (32) of a printed circuit board element (26, 28).
2. Mikroaktuator (10) nach Anspruch 1 , 2. microactuator (10) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das Leiterplattenelement ein Multilayer-Leiterplattenelement (28) ist und dass die Planarspule (20) eine an dem Multilayer-Leiterplattenelement (28) that the circuit board element is a multilayer circuit board element (28) and that the planar coil (20) one on the multilayer circuit board element (28)
ausgebildete mehrlagige Planarspule (20) aufweist. trained multi-layer planar coil (20).
3. Mikroaktuator (10) nach Anspruch 2, 3. microactuator (10) according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass zwischen benachbarten Lagen der Planarspule (20) eine Substratschicht oder eine Zwischenlage des Multilayer-Leiterplattenelements (28) zur elektrischen Isolierung vorgesehen ist. that between adjacent layers of the planar coil (20) a substrate layer or an intermediate layer of the multilayer circuit board element (28) is provided for electrical insulation.
4. Mikroaktuator (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, 4. microactuator (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das zweite Aktuatorelement (14) einen Permanentmagneten aufweist. that the second actuator element (14) has a permanent magnet.
5. Mikroaktuator (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, 5. microactuator (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das erste und das zweite Aktuatorelement (12, 14) konzentrisch zu einer Mittelachse durch die Planarspule (20) angeordnet sind und relativ zu dieser Mittelachse axial zueinander beweglich sind. that the first and the second actuator element (12, 14) concentric to one Center axis through the planar coil (20) are arranged and are axially movable relative to this center axis.
6. Mikroaktuator (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, 6. microactuator (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das Leiterplattenelement als Außengehäuse des Mikroaktuators (10) ausgebildet ist. that the circuit board element is designed as an outer housing of the microactuator (10).
7. Mikroaktuator (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, 7. Microactuator (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass Leiterspulen der Planarspule (20) eine Breite von weniger als 900 pm, insbesondere weniger als 500pm, mehr insbesondere weniger als 100 pm aufweisen. that conductor coils of the planar coil (20) have a width of less than 900 pm, in particular less than 500 pm, more in particular less than 100 pm.
8. Verfahren zum Herstellen eines Mikroaktuators (10), umfassend 8. A method of making a micro actuator (10) comprising
lithografisches Ausbilden wenigstens einer Ebene einer Planarspule (20) an einer Leiterplattenschicht zum Bilden einer Magnetfelderzeugungseinheit (16) an einem ersten Aktuatorelement (12), Zusammenfügen des ersten Aktuatorelements (12) mit einem aufgrund eines durch die Magnetfelderzeugungseinheit (16) antreibbar bewegbaren zweiten Aktuatorelement (14) derart, dass die Aktuatorelemente (12, 14) relativ zueinander bewegbar sind. lithographically forming at least one plane of a planar coil (20) on a printed circuit board layer to form a magnetic field generation unit (16) on a first actuator element (12), joining the first actuator element (12) with a second actuator element (12) that can be driven by the magnetic field generation unit (16) 14) in such a way that the actuator elements (12, 14) can be moved relative to one another.
9. Verfahren nach Anspruch 8, 9. The method according to claim 8,
gekennzeichnet durch marked by
Ausbilden mehrere Ebenen von Planarspulen (20) an mehreren  Form several levels of planar coils (20) on several
Leiterplattenschichten, Zusammenfügen der Leiterplattenschichten unter PCB layers, joining the PCB layers under
Zwischenlage von Isoliermaterial, um eine Multilayer-Leiterplattenelement (28) mit einer mehrlagigen Planarspule (20) auszubilden, Intermediate layer of insulating material in order to form a multilayer circuit board element (28) with a multilayer planar coil (20),
elektrisches Verbinden mehrere Lagen der Planarspule (20) über Vias (24). electrical connection of several layers of the planar coil (20) via vias (24).
10. Verfahren nach Anspruch 9, 10. The method according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Schritt elektrisches Verbinden den Schritt: Erzeugen von Durchgangsöffnungen mittels Laserstrahlen (44, 46) oder that the step of electrically connecting the step: Generation of through openings by means of laser beams (44, 46) or
Elektronenstrahlen umfasst. Includes electron beams.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, 11. The method according to any one of claims 8 to 10,
umfassend full
Schneiden des Leiterplattenelements (26, 28) mittels Laserstrahlen (44, 46) oder Elektronenstrahlen.  Cutting the circuit board element (26, 28) by means of laser beams (44, 46) or electron beams.
12. Verwenden eines Mikroaktuators (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 erhältlichen Mikroaktuators (10) in einer Mikropumpe (54), in einem Mikrolinearmotor (88), in einem Mikroventil, einer optischen Schalteinheit oder zum Bewegen eines optischen Elements, eines Spiegels und/oder einer Linse. 12. Use of a microactuator (10) according to one of claims 1 to 7 or of a microactuator (10) obtainable by a method according to one of claims 8 to 11 in a micropump (54), in a microlinear motor (88), in a microvalve, an optical switching unit or for moving an optical element, a mirror and / or a lens.
13. Mikropumpe (54), Mikrolinearmotor, Mikroventil oder optisches oder elektrisches Schaltelement, umfassend einen Mikroaktuator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einen durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 erhältlichen Mikroaktuator (10). 13. micropump (54), microlinear motor, microvalve or optical or electrical switching element, comprising a microactuator (10) according to one of claims 1 to 7 and / or a microactuator (10) obtainable by a method according to one of claims 8 to 11.
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